如何选择多功能天线

当设计无线连接到iot设备时,你有几种天线的选择。你可以把一个设计成一个印刷电路板,但是有几个商业选择将你自己设计出来。

影响范围和性能,天线选择和放置是关键的设计考虑因素,在物联网设备制造商。本文综述了最广泛使用的多用途天线,并讨论了其应用特定的功能。它还强调了最佳设计和放置战略,为每种天线类型提供了详细的指导方针。

距离和频率要求

图1这是一款使用Wi-Fi的智能家居设备,突出了互联设备,用于全面的家居自动化,包括照明、气候、安全和能源管理,所有这些都是由中央智能手机应用程序控制的。

距离和频率的要求在确定一个多用途终端设备的天线类型方面起着至关重要的作用。例如,可穿戴和智能家居设备一般使用Wi-Fi( 图1 )或蓝牙,用于跨越2.4千兆赫至5.9千兆赫的短距离通讯。Zigbee在同一个工业、科学和医疗(ISM)波段运行,支持智能家居基础设施和建设自动化及其高效的网状网络能力。

相比之下,工业iot(iot)应用通常依赖于低功率广域网(lpana),其中包括窄带互联网的东西(nb-iot)和洛拉万通信协议。Nb-IOT提供了获得许可的亚1千兆赫波段的广泛覆盖,而洛拉万利用未经许可的次GGZ频率实现了广泛的覆盖(欧洲为862兆赫,北美洲为9500兆赫)。

LTECAT-M将高带宽和吞吐量与高效率的耗电量相结合,在1千兆赫以下的许可LTE波段运行,便于在具有挑战性的室内地点实现无缝连接。

高速、低延迟的iot应用程序使用5G的广谱技术,其覆盖范围包括亚6千兆赫和MM波段(24千兆赫至71千兆赫),用于广泛和高容量的应用。值得注意的是,5G是先进汽车系统和医疗设备以及 虚拟现实和增强现实 申请。

从鞭笞到金属丝

选择一个IOT天线需要在范围、耐久性、成本和集成复杂性之间进行权衡。为满足具体应用和频率要求而设计的一些最广泛使用的卫星轨道天线包括:

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翼和桨:提供广域连接,用于国际无线电通信系统的部署,外部的鞭和桨天线提供了最佳性能和范围的ISM,LRA,LPAN的应用,以及LTE-M设备低于1千兆赫。为了耐久性和性能,用优质塑料和金属(如不锈钢或铝)制造了鞭桨天线,与橡胶短棒天线相比,设计成本更高。

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橡胶短棒天线:具有螺旋设计,外部橡胶短棒天线天线目标便携式平板电视设备,手持收音机和对讲机。橡胶短棒天线天线提供了耐久性、性能和成本的平衡,与广泛的频率范围兼容,通常从100兆赫到2.5千兆赫,包括Zigbee的2.4千兆赫波段。这些天线是用塑料和金属(如不锈钢)制造的。

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补丁:适应特定或双极化的最佳卫星传输,补丁天线是一个流行的选择的GPS设备。在GGZ范围内有效,特别是在1.57542GHZ(L1波段)的全球定位系统中,补丁天线确保精确的导航具有最佳增益和辐射特性。

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PCB天线:这些集成天线为可穿戴性和远程传感器提供了设计灵活性和更高的增益,可容纳广泛的频谱(包括5G),范围从广泛覆盖的6-兆赫到大容量应用的MM波段(24千兆赫及以上)。电路板天线的制造使用铜或其他导电金属沉积在非导电衬底上,如FF-4玻璃纤维。尽管多用途天线可适应许多不同类型的远程通信技术应用和通信协议,但对系统设计者来说,多用途电路板天线提出了各种集成挑战,包括信号干扰和精确位置要求。

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芯片:可容纳小型iot设备,芯片天线有效地支持从Wi-Fi,蓝牙,Zigbee到LTE,nb-iot,罗拉和5g不同的协议和频带。由于芯片天线需要高度的集成,系统设计者必须在人口密集的板上应对空间限制。芯片天线是使用传统的半导体材料,如陶瓷或硅.

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电线:由于已建立的制造工艺和容易获得的材料,例如铜或铝材料,有针对性的汽车、智能建筑和其他流行的非线性轨道应用、电线天线相对便宜。尽管电线天线支持多种协议、频率和范围,但它们提出了各种设计挑战,包括为较低频率提供额外空间(需要较大的天线)以及减少或减缓密集布局中的干扰。设计方面的考虑对于LTE-M和5G应用程序都是至关重要的。

战略设计和位置优化范围和性能

对于长鞭、桨和橡胶斗天线,地面考虑因素,包括附近表面的导电性,是最大限度提高辐射效率的关键。优化这一关键参数直接影响信号的强度和质量,确保更长距离的稳定和清晰的通信。这些外部天线具有至少四分之一波长的导电平面,有效地模拟偶极子的辐射模式,显著地提高了范围,特别是在超高频(U高频)频谱的低端。战略位置,远离设备的金属部件和边缘,减少干扰和进一步最大化范围。

由于尺寸与频率成反比,天线呈现出独特的设计考虑,需要仔细规划。例如,较低的频率需要更大的天线,可能会使小规模的iot设备集成复杂化。它们还需要精心安排,重点是确定主要的通信路径,尽量减少障碍,以确保清晰的视线连接。电线天线还必须与金属元素如外壳、连接器和设备边缘保持分离,以保持无干扰的共振频率。

为实现卫星信号接收的最佳化,国际地面卫星定位系统设备的补丁天线需要经过深思熟虑的极化选择(RHCP、LHCP或两者兼顾)--通过PIN二极管或射频MEMS设备实现双重极化,以实现传输的灵活性。正确的放置是关键,因为补丁天线必须安装在天空上有清晰的视线,以尽量减少障碍,提高信号清晰度,确保视野畅通无阻(fov)。虽然平面图流线型集成在设备表面,补丁天线必须远离金属组件,以避免干扰和信号退化。

对于紧凑型的iot设备来说,在电路板和芯片天线之间进行选择(图3)取决于尺寸限制和性能要求。例如,PCB天线天线由于尺寸大、拓扑复杂(例如,PCB天线天线)而能够获得更高的收益。,不顶F,L,和折叠单极设计),但可能占用更多的板空间。

反过来,芯片天线提供了一个更紧凑的解决方案,收益较低,适合空间限制的应用,如可穿戴。最后,正确的位置对电路板和芯片天线都是至关重要的。具体而言,最小障碍和战略边缘定位提高了电路板天线的性能,而芯片天线的精确集成防止了组件干扰,并保持了畅通无阻的信号路径。

对于5G特定的iot设备,可以利用高增益芯片、导线和电路板天线作为相控阵列。这种配置有助于有效的空间复用和信号管理,通过广泛实施多输入多输出(MIMO)技术来适应更高的电池密度。此外,自适应波束交换动态优化天线信号路径,减少潜在干扰和加强信号接收。

概括的

卫星轨道天线的选择影响到关键的操作参数,如范围和性能。因此,设备制造商必须谨慎地权衡范围、耐久性、成本和集成复杂性之间的权衡。为满足特定应用要求而设计的多用途天线类型包括:跨鞭、划桨和橡胶短棒天线到贴片、电路板、芯片和电线。战略性的天线放置可以最大限度地减少干扰,提高信号强度,确保在一个非卫星通信平台设备及其网络之间进行清晰可靠的通信。