利用多功能、緊湊型天線增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-16

選擇合適的天線對(duì)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 無線應(yīng)用的成功至關(guān)重要。選擇的天線既要性能高又要能靈活地支持不同的網(wǎng)絡(luò)，這樣才可以增強(qiáng)電子應(yīng)用的商業(yè)吸引力。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可能會(huì)將天線視為無源元件，但隨著他們不斷采用新功能來開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，天線對(duì)電子應(yīng)用的成功變得越來越不可或缺。特別是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用中，天線支持多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的冗余、彈性和覆蓋優(yōu)化。

除了支持 Wi-Fi 應(yīng)用外，人們越來越需要采用蜂窩天線，以提供確保物聯(lián)網(wǎng)成功所需的關(guān)鍵功能。頻譜效率對(duì)于對(duì)沖無線通信增長帶來的干擾至關(guān)重要。提高能效以延長電池壽命是另一項(xiàng)關(guān)鍵要求。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必須在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，例如室外充電站，需要堅(jiān)固耐用的天線來抵御惡劣的天氣條件或人為破壞。

要確保信號(hào)性能不受混凝土或金屬等物理建筑材料的明顯影響，就需要高效的天線。隨著無線服務(wù)的競相接入，干凈、無干擾的傳輸對(duì)于避免干擾和信號(hào)噪聲越來越重要。隨著對(duì)工業(yè) 5G 應(yīng)用的需求的不斷增長，這將促使設(shè)計(jì)人員采用微蜂窩和小蜂窩技術(shù)，以克服 5G 無法穿透窗戶和墻壁的問題。

不同的網(wǎng)絡(luò)適合的領(lǐng)域各不相同，因此為滿足客戶的需求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要更高效的天線才可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆蓋，無論是室內(nèi)還是室外。同樣重要的是，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以利用多網(wǎng)絡(luò)支持帶來的適應(yīng)性，使其應(yīng)用更加適應(yīng)未來需要。

多網(wǎng)絡(luò)支持可讓供應(yīng)商和客戶在不同環(huán)境中使用一種類型的天線提供連接，而無需管理復(fù)雜的多天線庫存。它還允許將不同類型的連接組合在一起，以平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并將數(shù)據(jù)流量分配到多個(gè)路徑上，從而防止擁塞，并通過為特定任務(wù)選擇最佳網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)來優(yōu)化性能。客戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)需求選擇最具成本效益的網(wǎng)絡(luò)，并在 Wi-Fi 足夠使用的情況下避免使用蜂窩數(shù)據(jù)。

滿足挑戰(zhàn)性環(huán)境需要

無線連接通常是各種環(huán)境中任務(wù)的關(guān)鍵，這給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來了眾多挑戰(zhàn)。

例如，智能工廠需要在工廠設(shè)備、傳感器和中央管理系統(tǒng)之間進(jìn)行可靠的通信，而且通常是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行的。在 Wi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的大型倉庫中，多網(wǎng)絡(luò)天線可確保庫存跟蹤和物流管理的無縫連接。

有了高性能天線，就可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)部署傳感器，從氣象站和空氣質(zhì)量監(jiān)測器獲取數(shù)據(jù)，并跟蹤資產(chǎn)或?qū)崿F(xiàn)智能樓宇應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，它們可以提供有關(guān)土壤濕度、作物健康和灌溉系統(tǒng)運(yùn)行的重要信息。

其他新興應(yīng)用包括：無論天氣如何都需要與后臺(tái)系統(tǒng)通信的電動(dòng)汽車充電站；提供實(shí)時(shí)顯示和公告的數(shù)字標(biāo)牌；需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和門禁控制的安全存儲(chǔ)解決方案；以及移動(dòng)票務(wù)和乘客信息系統(tǒng)。

每種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都有獨(dú)特的需求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須適應(yīng)特定的使用案例以及環(huán)境和通信要求。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在不同的頻段上運(yùn)行，這可能會(huì)影響性能；此外，設(shè)備空間有限，這使得在不影響其他組件的情況下集成天線具有挑戰(zhàn)性。

在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇合適的天線時(shí)，需要考慮的一些因素包括性能、尺寸、成本和兼容性。這很容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員為滿足客戶需求而集成不同的天線，從而產(chǎn)生復(fù)雜的支持和供應(yīng)鏈問題。

多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 協(xié)議（如窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) ）支持低數(shù)據(jù)速率，需要低功耗、高增益和高效率，以保持長距離的穩(wěn)定連接。應(yīng)用通常需要全向天線提供大面積的寬輻射模式。

相反，短程 Wi-Fi 協(xié)議支持高數(shù)據(jù)傳輸速率，但要求低增益和高效率，以節(jié)省功耗并避免干擾其他設(shè)備。天線應(yīng)提供窄輻射模式，以聚焦信號(hào)。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 LTE CAT-1 為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供中等數(shù)據(jù)傳輸速率和中等范圍的蜂窩連接。帶寬接收范圍為 1.4 MHz 至 20 MHz，協(xié)議支持最高 10 Mb/s 的峰值下行鏈路速率和最高 5 Mb/s 的峰值上行鏈路速率。應(yīng)用可利用全雙工和低功耗的優(yōu)勢。

LTE CAT-M1 努力在數(shù)據(jù)傳輸速率和能效之間取得平衡。其天線支持 1.4 MHz 帶寬，下行鏈路和上行鏈路峰值速率均為 1 Mbit/s，所需的功率非常低。應(yīng)用可利用全雙工或半雙工功能。

CAT-4 LTE 協(xié)議可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸速率，降低延遲，滿足包括實(shí)時(shí)應(yīng)用在內(nèi)的更高要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。該協(xié)議提供全雙工功能，下行鏈路速率最高 150 Mb/s，上行鏈路速率最高 50 Mb/s。

多功能天線

[TE Connectivity (TE)]推出 [VersAnte] 系列多端口物聯(lián)網(wǎng)天線，外形小巧，可實(shí)現(xiàn) 4G/5G 蜂窩、Wi-Fi 和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 的組合覆蓋。由于能將不同的通信協(xié)議集成到單個(gè)天線中，工程師就可以用它簡化設(shè)計(jì)。

與某些需要特定接地層才能獲得最佳性能的天線不同，這些天線與接地層無關(guān)，既可安裝在金屬表面，也可安裝在非金屬表面，因此設(shè)計(jì)人員可將其放置在能優(yōu)化信號(hào)接收的位置。天線罩可使用常見的非金屬噴漆進(jìn)行噴涂。

TE 的 VersAnte 天線可提供 360° 全向覆蓋，減少了因信號(hào)微弱而導(dǎo)致的重新傳輸需求，從而降低了功耗。它們平衡了增益和功耗，優(yōu)化了整體性能。

這些小巧的天線適用于空間受限的應(yīng)用，可無縫嵌入狹小的空間，如小型物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)、數(shù)字顯示屏和電動(dòng)汽車充電站。天線堅(jiān)固耐用，可在惡劣條件下提供可靠的性能，不易因人為破壞或環(huán)境因素而損壞。

VersAnte [L000321-01]（圖 1）是一款 3 端口、扁平、圓球形天線。它提供 4G/5G 蜂窩、Wi-Fi 和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)覆蓋，可滿足從物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)、智能終端到數(shù)字標(biāo)牌等各種應(yīng)用的需求。其高度為 1.024 英寸 (26.00 mm)，直徑為 3.55 英寸 (90.2 mm)，以較小的封裝實(shí)現(xiàn)了很高的性能。

圖 1：VersAnte 蜂窩冰球狀 L000321-01 天線。（圖片來源：TE Connectivity）

TE 還提供 2 端口 [L000322-01]和 3 端口 [L000322-02] 圓頂天線（圖 2），每個(gè)天線都有兩個(gè) 4G/5G 蜂窩端口和一個(gè)可選的 GNSS 端口。每個(gè)變型的尺寸為 5.90 x 1.77 x 1.97 英寸 (150 x 1.77 x 1.97 mm)。

圖 2：VersAnte L000322-01 和 L000322-02 天線的外形尺寸。（圖片來源：TE Connectivity）

結(jié)語

人們對(duì)新型無線應(yīng)用的需求不斷增長，需要設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍喾N通信技術(shù)集成到產(chǎn)品中。TE Connectivity 的 VersAnte 天線用途廣泛、堅(jiān)固耐用，采用緊湊、小巧的設(shè)計(jì)，支持多種無線技術(shù)。它們能夠在金屬和非金屬表面上運(yùn)行，并達(dá)到 IP67 和 IP69K 防護(hù)等級(jí)，因此非常適合室內(nèi)外環(huán)境中各種需要高性能可靠連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

審核編輯 黃宇