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天线对于物联网至关重要
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天线对于物联网至关重要

2022-09-14 11:21:19 来源:深圳市连接器行业协会 李亦平编译 作者:AJ Born

【哔哥哔特导读】天线系统对于万物互连、5G通讯运用极其重要!

天线对连接产品功能至关重要。在设计过程的早期就需要找到正确的解决方案,从而获得成功的结果。

连接器

物联网(IoT)和5G应用日益扩大,满足电信需求的新机会也随之增加,天线系统越来越重要。根据TE Connectivity公司的一项调查,天线开发和创新的首要驱动因素是高效的频谱使用、服务质量提高、成本优化和跨技术的操作。

超过170名工程师回答了他们在设计无线系统时面临的最大挑战是设计师如何选择天线产品以及无线系统中天线选择的重要程度。效率和带宽是面临挑战的首要问题,突出了对组件提高流量和优化效率的需求。产品性能是大多数客户最关键的选择标准,通常比产品的成本更重要。超过60%的受访者进一步证实了天线系统的重要性,称他们在设计过程开始时就选择了高性能的天线产品。

天线的主要工作是将电信号转换为射频信号。“如同一条机场跑道。信号在电路板上,当它击中天线时,它会被送到空中(太空)。”Molex微解决方案业务开发经理马特·麦克温尼解释说。相反,天线也从空中接收信号,并将它们从电磁信号转换为电信号。

效率是用来比较天线的测量方法。许多专家认为在50%或以上的效率非常好。测量的“有效性”是天线安装和嵌入设备后的性能参数。注意这一点很重要,因为影响天线性能的因素有很多,所以选择并不简单。McWhinney 说:“天线附近存在其它金属,如电池或护罩等。天线在系统上的位置和角度,以及其它一些因素,可能会产生负面影响。”

趋势和挑战

小型化  

将射频嵌入到小型产品中的趋势越来越强。比如无线连接的门铃,在一个小空间内有很多组件。“设计上的挑战是如何最好地将天线集成到这个相当小的封装中。我能保留什么?怎样才能最有效地定位远离电池或覆盖在微处理器上的屏蔽层的天线?”McWhinney说。此外,如果需要冗余或额外的天线,理想情况下两者会有一些分离。

在许多微型产品中,特别是那些使用LTE或5G信号的产品,天线需要接地才能表现良好。如果使用LTE/5G SMT天线,PCB上接地平面最好有名片大小。如果PCB/地平面很小(比如手表),基本上就没有足够的可用空间来实现良好的射频性能。根据应用的频率和天线,在一个小型产品中嵌入天线可能会变得相当具有挑战性。如果需要定制,天线会非常昂贵。麦克温尼解释说,例如,为了有效地将蜂窝电路嵌入产品,设计者必须从尽可能选择最有效但尺寸小的天线,并需确保接地平面足够。设计师可能会选择将接地平面延伸到PCB之外,或者是延伸到框架本身。在这种情况下,框架可能需要有点金属,从而实际扩展接地平面的尺寸。

长期可用

对于无线产品消费者期望总是会有信号。追求冗余的射频选项(不同的频率、协议、备用的天线、射频电路)是有意义的。比如使用MIMO(多路输入,多路输出)天线。简单地说,这意味着要有更多天线。单个天线可能辐射得很好,但会有一些盲点,多个天线不太可能有相同的盲点。另一种选择是添加备用的射频电路/天线、蓝牙或Wi-Fi和LTE作为备份。当LTE和5G太难以集成时,LoRa(远程无线电)也是一种选择。

天线的三种类型

连接器

来自Molex.公司的健身跟踪器PCB(芯片天线)上集成的天线。

天线有三种类型。SMT通常被称为“芯片”天线,被焊接到PCB上。SMT天线通常提供最佳的效率,这取决于它们在系统中的设计效果(即,它们被放置的位置和它们周围的东西)。SMT天线往往成本较低(特别是在高容量下),比其它类型的天线设计灵活性更好。

第二种类型是内部线缆天线。这种类型灵活,甚至可以放在一个印刷电路板上。它的特点是一个天线、一根同轴线和一个微型连接器。这些天线通常更容易集成,因为设计简单,如选择适当的连接器类型和线缆长度,这确保天线可正确放置在产品内。可在模块内找到最佳的天线方向,过程简单。可测试到最满意位置。”麦克温尼说。

连接器

来自Molex的在白色商品上使用的“内部电缆”天线(Wi-Fi天线)的例子。

第三种类型是外接天线。可以从路由器中伸出来。这些天线通常不用于物联网应用,但如果产品是由金属制成的,就需要它们,因为内部天线不能通过金属传输。

天线可根据其额定频率来识别和分类。但为了方便,天线通常只是简单地通过射频协议来区分,比如Wi-Fi或蓝牙。另一个需要考虑的因素是带宽。当考虑带宽需求时,设计者将首先确定哪个射频协议,然后选择天线。值得注意的是,大多数物联网产品只需要依据部分信息,如传感、控制,或收集测量数据,如在可穿戴产品的情况下。因此,对于许多物联网产品来说,低带宽很可能就足够了。

对于需要高带宽的应用,Wi-Fi和LTE/5G是很好的选择。还要注意现实世界中的问题,如果Wi-Fi运行多个频率(即2.4和5 GHz),并且选择的天线是支持的,则最好提供高带宽应用。类似的考虑也存在于LTE/5G数据中,其中频率选择很重要。

每个应用都有自己独特的挑战,在设计过程的早期与射频天线专家一起工作是成功的关键。确保天线效率和性能需要多次设计,测试、重新设计、重新测试等反复调试,理想情况下由那些深入了解所有产品组件对天线影响的人来处理。无论这是内部的射频专家、经过验证的射频电子/天线供应商,还是一个顾问,有价值的专家都将拥有测量射频性能的设备,包括天线测试室。即使专家没有完全参与测试,这也是一个很好的策略。麦克温尼说,最后,这将有助于确保物联网产品具有良好的无线性能。

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