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

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?jié)B透使我們的互聯(lián)水平達到前所未有的高度。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。

天線組件是一個相當(dāng)重要的部件。全球以數(shù)十億計的無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴電池供電，維持它們在各種應(yīng)用中的運轉(zhuǎn)。這些由電池驅(qū)動的設(shè)備需要保利用天線組件持無線連接，以提供持續(xù)服務(wù)，同時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區(qū)間內(nèi)。考慮到設(shè)備無線網(wǎng)絡(luò)的地理覆蓋面和范圍以及設(shè)備通信時間與睡眠時間的比例，根據(jù)設(shè)備實際使用中的具體情況，功耗也會受很大影響。

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）以及兩個天線之間的偏振匹配效率決定。也就是說，無線鏈路為了達到一定的接收功率，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)射以及接收功率強度，以藍牙插槽天線為例，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明顯大于X-Z平面，所以當(dāng)該藍牙天線用于發(fā)射時，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，天線需要在水平面上用全向輻射，而車輛與衛(wèi)星通信時則相反，天線則應(yīng)該保持對天空的輻射最大，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，剩下的功率會被傳送到天線進行發(fā)射，這個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，天線組件實際的帶寬大于目標(biāo)頻段的帶寬是非常重要的。因為理論上的帶寬在天線組件被集成進設(shè)備中后，會因為附近的SMT元件等結(jié)構(gòu)發(fā)生阻抗改變，進而使頻率發(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的信號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，電纜長度會增強損耗，也會催生出EMC問題。

通常會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，使屏蔽層進行接地減少射頻同軸電纜對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。