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淺談物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線種類

射頻學(xué)堂 ? 來源:E人E書 ? 2024-10-23 10:10 ? 次閱讀

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(biāo)。

其實(shí)我們身邊的很多電子設(shè)備都實(shí)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(biāo)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(jì)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(yuǎn)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(lán)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(biāo)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(yùn)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(lán)牙 Bluetooth

藍(lán)牙是一種常用的短距離無線通信技術(shù),我們常用的藍(lán)牙耳機(jī),藍(lán)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(lán)牙的工作距離只有10米,雖然現(xiàn)在最新的藍(lán)牙5.0標(biāo)準(zhǔn)可以用于100米的通信。

藍(lán)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(jī)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(rèn)識藍(lán)牙的前生今世!》詳細(xì)向大家介紹了藍(lán)牙這種技術(shù)的發(fā)展和歷史。有興趣的可以點(diǎn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)(802.11b/g/n/ax),5GHz 頻段支持以下標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)是兼容雙頻工作。

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Wifi作為和有線互聯(lián)網(wǎng)的接口,可進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、低?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(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

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(biāo)準(zhǔn),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(yuǎn),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(yuǎn)的技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離兩種兼顧的效果。

LoRa是一種基于 chirp spread spectrum (CSS) 擴(kuò)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

LoRa(Long Range)技術(shù)憑借其獨(dú)特的擴(kuò)頻調(diào)制機(jī)制和超遠(yuǎn)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(diǎn)、存在的缺點(diǎn)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(shí)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(diǎn)。NB-IoT使用License頻段,可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)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(qiáng)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(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時,可以根據(jù)其工作特點(diǎn)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:

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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(jī)天線,對講機(jī),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(yuǎn)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(jìn)行多種變化。

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微帶天線的種類比較多,設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)比較好的前后比。

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3,PCB天線

PCB天線,就是利用PCB上的走線來實(shí)現(xiàn)天線的設(shè)計(jì),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(biāo),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(jì)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。

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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

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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(jìn)行仿真設(shè)計(jì),以滿足無線設(shè)備的需求。

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原文標(biāo)題:如何選擇物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的天線?

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