如何为IoT 应用选择合适的天线

迪吉国际
2018 年 2 月 06 日
天线的形状和尺寸多种多样,用途也各不相同。有些天线从外部连接到产品上以实现正确的功能,而有些天线则必须设计到最终设备中,使其既隐蔽又实用。例如,如果您有一个封闭在金属盒内的设备,如路由器,您的天线将从外部连接。但对于移动设备或可穿戴设备来说,您可能需要的是内置在内部设计中的小型天线。适用于这些不同应用的天线类型不仅因尺寸和位置而异,而且还因属性和功能而异。

在本篇文章中,我们将概述最常见的天线类型及其常见的IoT 应用。请注意,大多数类型的天线都有多个子类型。此外,天线话题很快就会涉及到深奥的技术细节和数学公式,这超出了本篇文章的范围。如果您在选择天线时需要进一步帮助,我们的 无线设计服务 团队可以提供帮助。
 

本博客主题

  1. 偶极子天线
  2. 单极天线
  3. 环形天线
  4. 螺旋天线
  5. 贴片天线
  6. 槽式天线
偶极子天线

1) 偶极子天线

偶极子天线具有全向性,这意味着它们至少在一个平面上向所有方向辐射信号。偶极子天线通常很大,因为它们是半波长结构。蜂窝天线的长度约为 6 英寸。这些天线几乎总是用于外部,如路由器和网关等金属盒式设备。它们可能随设备一起出厂,也可能需要单独订购。
 

偶极子天线的特性

偶极子天线是一种非常高效的天线,具有稳定的性能、全向辐射模式和可靠的极化。偶极子天线的辐射模式与盒子或地平面的大小无关。 这是因为偶极子在两个天线臂上都有平衡电流,因此地平面或底盘上的电流很小。辐射模式看起来像一个甜甜圈,大部分能量从天线的宽面发射。天线与作为接地平面的金属盒(底盘)隔离。
 

偶极子天线的常见应用

当您需要向所有方向通话(全向)且不知道接收链路的位置时,请使用偶极子天线。偶极子天线的常见应用包括蜂窝电话和 Wi-Fi 应用;每种通信类型都有不同的偶极子型号。(偶极子的带宽有限,因此不同频段需要不同长度的偶极子)。

偶极子天线适用于安装在金属外壳上的外置天线,与外壳尺寸无关。金属外壳在恶劣环境下的工业应用中非常常见,在这些限制条件下,外置天线几乎是必然的。此外,由于偶极子具有高效率和一致的辐射模式,实验室经常使用偶极子作为参考天线来校准天线测量系统。

(2) 单极天线

单极天线是一种小型全向四分之一波长天线。它们通常安装在设备内部,但也可以安装在外部。
 

单极天线的特性

单极子天线与偶极子天线类似,但只有一个四分之一波长的天线臂。单极子天线利用接地平面作为偶极子的另一半,因此可以做得比偶极子小,也更容易实现。值得注意的是,单极天线的辐射模式取决于电缆长度、金属外壳(外部天线)尺寸或接地平面尺寸。

单极天线也有不同之处,其中最著名的是倒 F 天线 (IFA),它通常是蚀刻在印刷电路板上的一条迹线。IFA 的出现是为了减小天线的尺寸,并在较小的带宽内保持 50 O 的阻抗。IFA 的一种变体(也源自贴片天线)是 PIFA,即平面 IFA。PIFA 通常是三维结构(不是蚀刻在印刷电路板上),导电部分比 IFA 更宽。由于 PIFA 比 IFA 使用更宽的导体,占用更大的体积,因此通常具有更高的效率和带宽。
 

单极天线的常见应用

当您需要廉价的窄带外置天线,但由于天线尺寸的限制而无法使用偶极子天线时,可以使用单极鞭状天线。PIFA 是一种更优雅的解决方案,它可以做得比单极天线短得多,在机械上也更坚固,但代价是全向辐射模式会失真。手机是目前 PIFA 最常见的应用。PIFA 易于制造,外形小巧,具有良好的效率和带宽。可穿戴设备通常也使用 IFA 或 PIFA。嵌入式无线设备通常使用蚀刻到 PCB 上的 IFA,因为其成本非常低。

3) 环形天线

小型环形天线是全向的,但随着环形天线的增大(直径接近一个波长),它就会变成双向的。为了达到相同的辐射效率,环形天线总是比单极或偶极天线大,因此在无线嵌入式设备中并不常见。
 

环形天线的特性

环形天线的近场磁场占主导地位,这意味着它们受电导体(如金属板甚至盐水)的影响较小,而电导体对电场的影响大于磁场。这使它们特别适用于可穿戴设备,因为人类的磁性非常有限。请注意,这些特性与近场性能有关;在远场中,所有天线的作用都是一样的,但在近场中,设备更依赖于天线的类型。
 

环形天线的常见应用

运动追踪器和植入式设备等可穿戴设备是环形天线的常见应用。例如,在心脏附近植入天线时,单极子或偶极子等电场近场天线的性能会比磁场近场环形天线下降很多。

4) 螺旋天线

螺旋天线本质上是绕成螺旋状的小型单极天线。试想一下,将一根笔直向上的导电线缠绕在绕线轴上,以降低其整体高度。总长度与标准单极天线非常相似。
 

螺旋天线的特性

螺旋天线与单极天线一样,具有全向辐射模式。将其缠绕成螺旋状,就可以在狭小的空间内放置这种长天线。由于螺旋天线比单极天线要小得多,因此为了大幅缩小天线,您需要放弃一些效率和带宽。
 

螺旋天线的常见应用

螺旋天线非常紧凑,因此适用于便携式通信设备。它们通常用于在较低频段工作的设备,包括高频、甚高频和特高频频段。例如,433 MHz 单极天线的长度约为 7 英寸;由于许多设备都比它小得多,因此使用螺旋天线可以在小巧的外形尺寸内实现良好的天线效率和接近 50 O 的阻抗。

5) 贴片天线

贴片天线具有方向性,这意味着您的应用必须在设备之间实现视线通信,以获得最佳性能:设备 A 只能与设备 B 通信,而且它们的方向总是让设备上的贴片天线面对彼此。由于我们知道设备的位置,因此不需要全向辐射。
 

贴片天线的特性

贴片天线外形非常小巧,重量轻,易于制造。贴片的自然谐振为半波长(类似偶极子),但使用电介质后,贴片尺寸通常会大大缩小。由于使用了介质,贴片尺寸小,体积有限,因此贴片的频带非常窄。贴片天线有时也被称为 "微带天线",可直接蚀刻在印刷电路板上。

贴片天线的常见应用

当发射器和接收器之间有直接的视线路径,且所需带宽极小(数据传输速率低)时,贴片天线就非常有用。GPS 通信就是一个例子,因为它利用了卫星,而你知道它们总是位于天空中,并且使用非常低的数据传输速率。这种贴片是车辆跟踪的理想选择,因为它外形小巧,价格低廉,而且当你将它放置在车辆的引擎盖或顶部时,所有的能量都会集中在你真正需要的地方。

6) 槽形天线

槽式天线通常由金属板或印刷电路板组成,上面开有槽。槽式天线的辐射方式与偶极子天线类似,为半波长,但极化方式与偶极子相反。它们是非常高效的天线,具有双向辐射模式。通过用金属外壳封闭槽的一端,很容易实现单向辐射模式。
 

槽式天线的特性

槽式天线设计简单,外形极为低矮,因此用途非常广泛。槽形天线最初是用于电视广播目的。天线的辐射模式由槽的大小、形状和驱动频率决定。
 

槽式天线的常见应用

槽式天线对于无法使用外置天线的金属外壳非常有用。常见的应用包括海军舰艇和飞机上的导航系统,因为在这些地方使用外部天线会有环境风险。
 

结论

天线在很大程度上取决于设备尺寸和可容忍的天线尺寸;这归结于物理学和实际限制。为确保良好的无线性能,应根据特定应用选择合适的天线类型和设备总体尺寸。
 
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