淺談物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線種類

以下文章來源于E人E書 ，作者iRF小木匠

物聯(lián)網(wǎng)，英文全稱為internet of things，簡稱IoT，也是一個流行了好久的名詞了。類似于互聯(lián)網(wǎng)，把人與人之間鏈接起來了，而物聯(lián)網(wǎng)就是把物與物也鏈接起來。無論是互聯(lián)網(wǎng)還是物聯(lián)網(wǎng)，都是為了萬物互聯(lián)的這一終極目標。

其實我們身邊的很多電子設(shè)備都實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的功能，大到一個汽車，尤其是現(xiàn)在的電動汽車，物聯(lián)網(wǎng)就是其智能化的一個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)；小到家里的電視盒子，智能燈泡，小朋友的玩具，都可以接入了網(wǎng)絡(luò)這個大家庭中。

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是無線技術(shù)，而天線作為無線通信的眼睛，更是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中必不可少的關(guān)鍵器件。哪怕是小小的電子標簽，上面都會有一個天線。

如何選擇一個合適的天線，是一個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵。通過這篇文章我們一起來總結(jié)一下目前用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的那些天線吧。

No.1

物聯(lián)網(wǎng)常用的通信方式和頻率

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的覆蓋范圍和工作頻率，是選擇天線的關(guān)鍵。比如一些家用電器，通常需要覆蓋家里的小范圍就可以；而智能汽車，我們則希望在一個相對遠一些的范圍內(nèi)就能控制。

目前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的聯(lián)網(wǎng)方式包括RFID/NFC，藍牙、WiFi、ZigBee、LoRa、NB-IoT等等。

1，RFID/NFC

NFC本質(zhì)上是一種非接觸式射頻識別RFID技術(shù)，，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。

NFC的運行頻率是13.56MHz，讀取距離僅為幾厘米，主要用于近距離通信，比如刷卡，掃碼等等。

2，藍牙 Bluetooth

藍牙是一種常用的短距離無線通信技術(shù)，我們常用的藍牙耳機，藍牙音箱等電子設(shè)備就是用這種無線技術(shù)連接的。一般藍牙的工作距離只有10米，雖然現(xiàn)在最新的藍牙5.0標準可以用于100米的通信。

藍牙最大特色在于能讓輕易攜帶的移動通訊設(shè)備和電腦，在不借助電纜的情況下聯(lián)網(wǎng)，并傳輸資料和訊息。目前普遍被應(yīng)用在智能手機和智慧穿戴設(shè)備的聯(lián)接以及智慧家庭、車用物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中。

我們在《一文帶你認識藍牙的前生今世！》詳細向大家介紹了藍牙這種技術(shù)的發(fā)展和歷史。有興趣的可以點擊上文鏈接查閱。

3，Wifi

這個大家就更熟悉不過了，現(xiàn)在幾乎人人家里都有一個WiFi，Wifi 最常用的就是作為有線互聯(lián)網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的一個接口，這個接口就是我們家里的無線路由器。

Wifi是基于IEEE802.11 協(xié)議進行無線通信的，從最早的802.11a,b,g,n,ac,ax,be 已經(jīng)發(fā)展了7代。

2.4GHz 頻段支持以下標準（802.11b/g/n/ax），5GHz 頻段支持以下標準（802.11a/n/ac/ax），由此可見，802.11n/ax 同時工作在 2.4GHz 和 5GHz 頻段，所以這兩個標準是兼容雙頻工作。

Wifi作為和有線互聯(lián)網(wǎng)的接口，可進行中等距離的快速無線傳輸，廣泛應(yīng)用于各種移動設(shè)備中。

4，Zigbee

ZigBee國內(nèi)也叫紫蜂技術(shù)，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee 傳輸范圍一般介于 10～100m 之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到 1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

Zigbee技術(shù)的工作頻段主要分為三個：2.4GHz、915MHz和868MHz。其中，2.4GHz是全球范圍內(nèi)使用最廣泛的頻段;915MHz和868MHz則是美國和歐洲等地區(qū)使用的頻段。

Zigbee 廣泛應(yīng)用各種智能家居設(shè)備中。

5，LoRa

LoRa全稱Long Range Radio，是基于Semtech公司開發(fā)的一種低功耗局域網(wǎng)無線標準，其目的是為了解決功耗與傳輸難覆蓋距離的矛盾問題。一般情況下，低功耗則傳輸距離近，高功耗則傳輸距離遠，LoRa技術(shù)解決了在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠的技術(shù)難題，實現(xiàn)了低功耗和遠距離兩種兼顧的效果。

LoRa是一種基于 chirp spread spectrum (CSS) 擴頻調(diào)制技術(shù)的無線通信方案，由美國Semtech公司開發(fā)。其工作原理在于通過線性頻率調(diào)制（LFM）產(chǎn)生“啁啾”信號，每個數(shù)據(jù)包的載波頻率隨著時間線性變化。這種調(diào)制方式允許信號在強干擾環(huán)境下保持良好的穿透力與抗多徑衰落能力，從而實現(xiàn)遠距離傳輸。

LoRa（Long Range）技術(shù)憑借其獨特的擴頻調(diào)制機制和超遠傳輸距離，在智能城市、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、工業(yè)自動化等領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用成果。本文將系統(tǒng)性地介紹LoRa技術(shù)的基本原理、核心特點、存在的缺點以及廣泛的應(yīng)用場景。

6，NB-IoT

NB-IoT 全稱就是Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。

NB-IoT設(shè)備應(yīng)用了5G移動通信的頻譜，包括sub6G和毫米波頻譜，具體查看鏈接：強烈建議收藏——最全無線通信頻率表

NB-IoT技術(shù)通常應(yīng)用于智慧城市，共享單車等設(shè)備中。

在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，可以根據(jù)其工作特點和應(yīng)用場景選擇合適的無線通信技術(shù)，以確保設(shè)備的正常高效的工作。

No.2

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線種類

在選擇天線類型時，一般根據(jù)設(shè)備的工作頻率，覆蓋范圍，成本，體積，等因素來選擇合適的天線。

常用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線類型包括:

1, 鞭狀天線

鞭形天線是一種可彎曲的垂直桿狀天線，其長度與頻率相關(guān)，一般為1/4或1/2波長。早期的鞭狀天線工作頻率比較低，尺寸也比較大，現(xiàn)在隨著工作頻率的升高，其尺寸也在不斷縮小。如下圖所示

鞭狀天線是一種全向天線，其輻射方向圖如下圖所示：

鞭狀天線的尺寸比較大，但是其輻射效果也最好，比如早期的手機天線，對講機，大哥大，前幾年的汽車天線以及有一些wifi路由器，都有應(yīng)用鞭狀天線。

2，貼片天線

貼片天線，也就是微帶天線，一般由介質(zhì)基板、輻射體及接地板構(gòu)成。介質(zhì)基板的厚度遠小于波長，基板底部的金屬薄層與接地板相接，正面則通過光刻工藝制作具有特定形狀的金屬薄層作為輻射體。輻射片的形狀根據(jù)要求可進行多種變化。

微帶天線的種類比較多，設(shè)計也多樣化，主要可分為，微帶貼片天線，微帶縫隙天線，微帶形波天線等。也可以實現(xiàn)多種極化方式，微帶圓極化天線是衛(wèi)星通信比較常用的一種天線。

微帶貼片天線的方向圖也比較漂亮，如下圖所示，由于地的存在，微帶天線可以實現(xiàn)比較好的前后比。

3，PCB天線

PCB天線，就是利用PCB上的走線來實現(xiàn)天線的設(shè)計，可以將其畫成直線走線，反轉(zhuǎn)的F形走線，蛇形或圓形走線等，長度為四分之一波長就基本可以形成天線，將電信號輻射出去或接收信號。

比如在《這個無線鼠標，竟然把電路板露出來了，竟然還有天線！》，我們就看到了這個用曲折線做成的PCB天線。

PCB天線的設(shè)計比較靈活，集成度高，成本低，也是目前在IoT設(shè)備上應(yīng)用比較廣泛的一種天線。

不同類型的PCB天線，其輻射方向圖各不相同，下面是倒F天線的仿真方向圖。

4，芯片天線

隨著AiP技術(shù)的發(fā)展，天線的集成度也越來越高，甚至可以直接集成在一個電路上甚至芯片上。下圖就是AiP技術(shù)的圖示

芯片天線主要應(yīng)用于毫米波甚至亞毫米波波段，其天線尺寸比較小，利于芯片的封裝和集成。

總結(jié)

天線的種類很多，對于很多外置天線，我們可以拿來直接用，但是對于集成到設(shè)備上的天線，則需要根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，天線的尺寸，結(jié)構(gòu)，通過電磁仿真軟件進行仿真設(shè)計，以滿足無線設(shè)備的需求。