影響范圍和性能、天線選擇和放置是物聯網 （IoT） 設備制造商的關鍵設計考慮因素。本文回顧了使用最廣泛的物聯網天線，并討論了它們的特定應用功能。它還重點介紹了最佳設計和布局策略，為每種天線類型提供了詳細的指南。

范圍和頻率要求

范圍和頻率要求在確定物聯網設備使用的天線類型方面起著至關重要的作用。例如，可穿戴設備和智能家居設備通常利用 Wi-Fi（圖 1）或藍牙在 2.4 GHz 至 5.9 GHz 頻率范圍內進行短距離通信。Zigbee 在同一工業、科學和醫療 （ISM） 頻段運行，以其高效的網狀網絡功能支持智能家居基礎設施和樓宇自動化。

圖 1.支持 Wi-Fi 的智能家居設置突出了用于全面家庭自動化的互連設備，包括照明、氣候、安全和能源管理，所有這些都通過中央智能手機應用程序進行控制。（圖片：博世)

相比之下，工業物聯網 （IIoT） 應用通常依賴于低功耗廣域網 （LPWAN） 技術，其中包括窄帶物聯網 （NB-IoT） 和 LoRaWAN 通信協議。NB-IoT 通過許可的 sub-1 GHz 頻段提供廣泛的覆蓋范圍，而 LoRaWAN 使用未經許可的 sub-GHz 頻率（歐洲為 868 MHz，北美為 915 MHz）實現了廣泛的覆蓋范圍。

LTE Cat-M 將高帶寬和吞吐量與高效功耗相結合，可在低于 1 GHz 的許可 LTE 頻段中運行，從而在具有挑戰性的室內場所實現無縫連接。高速、低延遲的物聯網應用利用 5G 的寬頻譜，跨越 sub-6 GHz 和毫米波頻段（24 GHz 及以上），實現廣泛的覆蓋范圍和高容量。值得注意的是，5G 是先進汽車系統、醫療保健設備以及虛擬現實 （VR） 和增強現實 （AR） 應用越來越受歡迎的選擇。

從鞭子和槳到切屑和金屬絲

選擇物聯網天線需要在范圍、耐用性、成本和集成復雜性之間進行權衡。旨在滿足特定的應用和頻率要求，一些使用最廣泛的物聯網天線包括：

• 鞭狀天線和槳狀天線為 IIoT 部署提供廣域連接，為 ISM、LoRa、LPWAN 應用以及運行在 1 GHz 以下的 LTE Cat-M 設備提供最佳性能和范圍。為了耐用性和性能，鞭狀天線和槳狀天線采用高級塑料和金屬制造，例如不銹鋼或鋁，與橡皮鴨天線相比，其設計成本更高。

• 橡皮鴨：采用螺旋設計。外部橡皮鴨天線針對便攜式物聯網設備、手持收音機和對講機。橡皮鴨天線在耐用性、性能和成本之間取得了平衡，兼容廣泛的頻率范圍，通常跨越 100 MHz 至 2.5 GHz，包括 Zigbee 的 2.4 GHz 頻段。這些天線由柔性塑料和金屬（例如不銹鋼）制成。

• 貼片：為了實現最佳衛星傳輸，適應特定或雙極化，貼片天線是支持 GPS 的設備的熱門選擇。貼片天線在 GHz 范圍內有效，特別是對于 1.57542 GHz（L1 頻段）的 GPS，可確保精確導航并具有最佳增益和輻射特性。

• PCB：這些集成天線為可穿戴設備和遠程傳感器提供設計靈活性和更高的增益，可適應寬頻譜（包括 5G），范圍從用于廣泛覆蓋的 sub-6 GHz 到用于高容量應用的毫米波頻段（24 GHz 及以上）。PCB 天線是使用沉積在非導電基板（例如 FR-4 玻璃纖維）上的銅或其他導電金屬制造的。盡管 PCB 天線適用于各種類型的物聯網應用和通信協議，但它給系統設計人員帶來了一些集成挑戰，包括信號干擾和精確放置要求。

• 芯片：芯片天線可容納小型物聯網設備，可有效支持從 Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 到 LTE、NB-IoT、LoRa 和 5G 的各種協議和頻段。
  由于芯片天線需要高度集成，因此系統設計人員必須應對密集電路板上的空間限制。片式天線采用傳統半導體材料制造，包括陶瓷和硅。

• 線：針對聯網汽車、智能建筑和其他流行的物聯網應用，由于成熟的制造工藝和現成的材料（例如銅或鋁），線天線相對便宜。盡管有線天線支持多種協議、頻率和范圍，但它們帶來了各種設計挑戰，包括需要為較低頻率（需要更大的天線）提供額外的空間，以及減少或減輕密集布局中的干擾。這兩個設計考慮因素對于 LTE Cat-M 和 5G 應用都至關重要。

通過戰略性設計和布局優化范圍和性能

對于鞭狀天線、槳葉天線（圖 2）和橡皮鴨天線，接地層考慮因素（包括附近表面的電導率）對于最大限度地提高輻射效率至關重要。優化這一關鍵參數直接影響信號強度和質量，確保長距離通信穩定清晰。這些外部天線的導電平面至少為四分之一波長，可有效模仿偶極子的輻射方向圖，顯著擴大范圍，特別是在超高頻 （UHF） 頻譜的低端。戰略性放置，遠離設備的金屬部件和邊緣，可減少干擾并進一步最大化范圍。

圖 2.專為 2.4 GHz 至 5 GHz作而設計的槳式雙頻天線。（圖片： 錦繡微波爐)

由于尺寸與頻率成反比，有線天線具有獨特的設計考慮因素，需要仔細規劃和設計。例如，較低的頻率需要更大的天線，這可能會使小型物聯網設備的集成變得復雜。它們還需要細致的調整，重點是定義主要通信路徑并最大限度地減少障礙物，以確保清晰的視線連接。線狀天線還必須與金屬元件（例如外殼、連接器和設備邊緣）分開，以保持無干擾的諧振頻率。

物聯網 GPS 設備的貼片天線需要經過深思熟慮的極化選擇（RHCP、LHCP 或兩者兼而有之）以優化衛星信號接收，并通過 PIN 二極管或 RF MEMS 設備實現雙極化，以實現傳輸靈活性。正確的放置至關重要，因為貼片天線的安裝必須與天空有清晰的視線，以最大限度地減少障礙物并提高信號清晰度，從而確保暢通無阻的視野 （FOV）。盡管平坦的輪廓簡化了設備表面的集成，但貼片天線必須遠離金屬組件，以避免干擾和信號衰減。

對于緊湊型物聯網設備，在 PCB 天線和芯片天線之間進行選擇（圖 3）取決于尺寸限制和性能要求。例如，PCB 天線由于其更大的尺寸和復雜的拓撲結構（例如，倒 F、L 和折疊單極設計）而能夠獲得更高的增益，但可能占用更多的電路板空間。

圖 3.TDK 2.4 GHz 和 5.5 GHz 芯片射頻天線專為表面貼裝焊接而設計，支持 2.4 GHz 至 2.48 GHz 和 5.15 GHz 至 5.85 GHz 的寬頻率范圍。（圖片來源：DigiKey)

相反，片式天線提供了一種更緊湊的解決方案，增益更低，非常適合空間受限的應用，例如可穿戴設備。最后，正確的放置對于 PCB 和芯片天線都至關重要。具體來說，最小的障礙物和戰略邊緣定位提高了 PCB 天線的性能，而芯片天線的精確集成可防止組件干擾并保持暢通無阻的信號路徑。

對于 5G 專用物聯網設備，高增益芯片、電線和 PCB 天線可以用作相控陣。這種配置可實現高效的空間復用和信號管理，通過廣泛實施多輸入多輸出 （MIMO） 技術實現更高的小區密度。此外，自適應波束切換可動態優化天線信號路徑，減少潛在干擾并增強信號接收。

總結

物聯網天線的選擇會影響關鍵的作參數，包括范圍和性能。因此，設備制造商必須謹慎地在范圍、耐用性、成本和集成復雜性之間進行權衡。物聯網天線類型旨在滿足特定應用的要求，包括鞭狀天線、槳形天線、橡皮鴨天線、貼片天線、PCB、芯片天線和電線。戰略性天線放置可最大限度地減少干擾并增強信號強度，確保物聯網設備與其網絡之間清晰可靠的通信。