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      優化天線連接，提升物聯網設備功率與效率

      lPCU_elecfans ? 來源：未知 ? 2022-11-03 07:15 ? 次閱讀
      電子發燒友網報道（文/李寧遠）物聯網的發展滲透使我們的互聯水平達到前所未有的高度。物聯網的成功發展離不開許許多多的基礎設施，比如傳感器，天線組件等等。
      天線組件是一個相當重要的部件。全球以數十億計的無線物聯網設備依賴電池供電，維持它們在各種應用中的運轉。這些由電池驅動的設備需要利用天線組件保持無線連接，以提供持續服務，同時在不更換電池的情況下這些設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，物聯網設備的功耗至關重要。

      多種因素影響無線設備的功耗

      決定無線設備功耗的因素并不是單一的，首先設備需要傳輸和接收的數據量將功耗的范圍框定在了一個區間內。考慮到設備無線網絡的地理覆蓋面和范圍以及設備通信時間與睡眠時間的比例，根據設備實際使用中的具體情況，功耗也會受很大影響。
      無線協議本身也是影響功耗的因素，有些支持低功率低數據傳輸的無線協議在設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WiFi，是智能家居和智能建筑應用的理想選擇，但對于大多數低功耗物聯網應用來說，這種無線協議太過耗電。用于短程通信的低功耗藍牙數據速率比WiFi低不少，功耗也低很多。支持物聯網連接的無線協議眾多，每種技術在成本、性能上表現不一，根據具體應用選擇最適合的無線協議也是降低功耗的重要一環。
      除了上面這些因素，根本上最影響功耗的，還是設備天線組件的射頻性能。根據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，從給定發射功率接收到的功率水平由發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，所需要的發射功率是由天線性能決定的。

      優化無線提高設備效率

      應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，所以當該藍牙天線用于發射時，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，而車輛與衛星通信時則相反，天線則應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射，這個回波損耗定義了天線的帶寬。在為物聯網設備選擇天線時，天線組件實際的帶寬大于目標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備中后，會因為附近的SMT元件等結構發生阻抗改變，進而使頻率發生改變。
      只有在天線的帶寬大于目標頻段時候，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，所以根據不同的物聯網應用需求確定帶寬是保證天線組件穩定運行的關鍵。
      天線部署優劣
      外部天線的部署模式這里不做對比，隱形化的內部天線部署方式很多，而且各有優劣，有些可能極大地影響天線效率和帶寬。
      非常典型的一種內部部署天線是SMT天線，優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插片天線節省了一大部分電路板空間，而且呈現的輻射性能比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。這一類型還有個優勢在于設備的無線電板尺寸可以根據需要調小，比上面兩種部署類型更為靈活。

      射頻電纜的優化

      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或附近的金屬結構上，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

      提升天線組件的性能，并為物聯網應用合適地配置天線組件能從根本上提升無線物聯網設備的功率效率。

      聲明：本文由電子發燒友原創，轉載請注明以上來源。如需入群交流，請添加微信elecfans999，投稿爆料采訪需求，請發郵箱[email protected]。


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      原文標題：優化天線連接，提升物聯網設備功率與效率

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