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      優(yōu)化天線連接，提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功率與效率

      lPCU_elecfans ? 來源：未知 ? 2022-11-03 07:15 ? 次閱讀
      電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?jié)B透使我們的互聯(lián)水平達(dá)到前所未有的高度。物聯(lián)網(wǎng)的成功發(fā)展離不開許許多多的基礎(chǔ)設(shè)施，比如傳感器，天線組件等等。
      天線組件是一個(gè)相當(dāng)重要的部件。全球以數(shù)十億計(jì)的無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴電池供電，維持它們在各種應(yīng)用中的運(yùn)轉(zhuǎn)。這些由電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備需要利用天線組件保持無線連接，以提供持續(xù)服務(wù)，同時(shí)在不更換電池的情況下這些設(shè)備的使用壽命可能需要達(dá)到5至10年。因此，要保證如此長的使用壽命，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗至關(guān)重要。

      多種因素影響無線設(shè)備的功耗

      決定無線設(shè)備功耗的因素并不是單一的，首先設(shè)備需要傳輸和接收的數(shù)據(jù)量將功耗的范圍框定在了一個(gè)區(qū)間內(nèi)?？紤]到設(shè)備無線網(wǎng)絡(luò)的地理覆蓋面和范圍以及設(shè)備通信時(shí)間與睡眠時(shí)間的比例，根據(jù)設(shè)備實(shí)際使用中的具體情況，功耗也會(huì)受很大影響。
      無線協(xié)議本身也是影響功耗的因素，有些支持低功率低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線協(xié)議在設(shè)備上的功耗天然就低一些。比如廣為人知、備受歡迎的無線技術(shù)WiFi，是智能家居和智能建筑應(yīng)用的理想選擇，但對(duì)于大多數(shù)低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，這種無線協(xié)議太過耗電。用于短程通信的低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)速率比WiFi低不少，功耗也低很多。支持物聯(lián)網(wǎng)連接的無線協(xié)議眾多，每種技術(shù)在成本、性能上表現(xiàn)不一，根據(jù)具體應(yīng)用選擇最適合的無線協(xié)議也是降低功耗的重要一環(huán)。
      除了上面這些因素，根本上最影響功耗的，還是設(shè)備天線組件的射頻性能。根據(jù)天線理論里最基本的弗里斯傳輸公式，在覆蓋范圍確定的無線鏈路中，從給定發(fā)射功率接收到的功率水平由發(fā)射和接收天線的射頻性能（增益、方向性、阻抗匹配效率、輻射效率）以及兩個(gè)天線之間的偏振匹配效率決定。也就是說，無線鏈路為了達(dá)到一定的接收功率，所需要的發(fā)射功率是由天線性能決定的。

      優(yōu)化無線提高設(shè)備效率

      應(yīng)用場景決定天線輻射方向
      天線輻射方向展示了天線在特定方向上的發(fā)射以及接收功率強(qiáng)度，以藍(lán)牙插槽天線為例，其天線輻射在X-Z平面的增益很低，所以沿該平面方向發(fā)射/接收的功率很小。Y平面的天線輻射增益會(huì)明顯大于X-Z平面，所以當(dāng)該藍(lán)牙天線用于發(fā)射時(shí)，需要將該天線的Y軸指向接收天線，以最大程度地提升輸送到接收天線的功率，并避免天線在X-Z平面上部署接收天線產(chǎn)生干擾。
      作為接收使用，天線也同樣需要將最大增益輻射方向指向入射波的方向。比如車輛與車輛通信時(shí)，天線需要在水平面上用全向輻射，而車輛與衛(wèi)星通信時(shí)則相反，天線則應(yīng)該保持對(duì)天空的輻射最大，水平面輻射要極可能小。
      天線帶寬與目標(biāo)頻段
      天線的RL表明了最大的被反射功率，剩下的功率會(huì)被傳送到天線進(jìn)行發(fā)射，這個(gè)回波損耗定義了天線的帶寬。在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇天線時(shí)，天線組件實(shí)際的帶寬大于目標(biāo)頻段的帶寬是非常重要的。因?yàn)槔碚撋系膸捲谔炀€組件被集成進(jìn)設(shè)備中后，會(huì)因?yàn)楦浇腟MT元件等結(jié)構(gòu)發(fā)生阻抗改變，進(jìn)而使頻率發(fā)生改變。
      只有在天線的帶寬大于目標(biāo)頻段時(shí)候，回波損耗才可能在天線性能改變后依舊滿足目標(biāo)頻段的性能要求。但是一味地提高天線帶寬又會(huì)使組件更容易接收到干擾，所以根據(jù)不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求確定帶寬是保證天線組件穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
      天線部署優(yōu)劣
      外部天線的部署模式這里不做對(duì)比，隱形化的內(nèi)部天線部署方式很多，而且各有優(yōu)劣，有些可能極大地影響天線效率和帶寬。
      非常典型的一種內(nèi)部部署天線是SMT天線，優(yōu)勢在于它可以采用回流焊接，但是這種方式下天線性能取決于接地板尺寸，而且與插片安裝天線相比占用的電路板空間更多。PCB插片天線節(jié)省了一大部分電路板空間，而且呈現(xiàn)的輻射性能比SMT天線更好，但是通常只能使用手工焊接。
      FPC天線也是一種較為流行的類型，天線被安裝在設(shè)備的塑料外殼中，天線性能不再取決于接地板尺寸，而是由天線安裝和電纜走線決定。這一類型還有個(gè)優(yōu)勢在于設(shè)備的無線電板尺寸可以根據(jù)需要調(diào)小，比上面兩種部署類型更為靈活。

      射頻電纜的優(yōu)化

      射頻同軸電纜可以幫助天線獲得更強(qiáng)的信號(hào)并降低電路板的射頻噪聲水平，是天線組件的一大助力，但是射頻同軸電纜不可避免地存在損耗，尤其是在高頻應(yīng)用中，電纜長度會(huì)增強(qiáng)損耗，也會(huì)催生出EMC問題。
      通常會(huì)在天線端口附近的電纜上放置鐵氧體磁珠抑制電纜上的無用電流，較少其對(duì)天線性能的影響。也可以是將電纜的屏蔽層接地到PCB或附近的金屬結(jié)構(gòu)上，使屏蔽層進(jìn)行接地減少射頻同軸電纜對(duì)天性性能的不利影響。

      小結(jié)

      提升天線組件的性能，并為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用合適地配置天線組件能從根本上提升無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功率效率。

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