如何挑选适合物联网设备的天线？

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2024-10-25 11:52:12 668

物联网（Internet of Things，简称IoT）是一个已经流行多时的概念。与互联网通过连接人们而实现交流相似，物联网的目的是将物体彼此连接起来。无论是互联网还是物联网，它们的终极目标都是实现万物互联。

其实我们身边的很多电子设备都实现了物联网的功能，大到一个汽车，尤其是现在的电动汽车，物联网就是其智能化的一个网络基础；小到家里的电视盒子，智能灯泡，小朋友的玩具，都可以接入了网络这个大家庭中。

物联网的基础是无线技术，而天线作为无线通信的眼睛，更是物联网设备中必不可少的关键器件。哪怕是小小的电子标签，上面都会有一个天线。

如何选择一个合适的天线，是一个物联网设备设计的关键。通过这篇文章我们一起来总结一下目前用于物联网设备上的那些天线吧。

No.1

物联网常用的通信方式和频率

物联网设备的覆盖范围和工作频率，是选择天线的关键。比如一些家用电器，通常需要覆盖家里的小范围就可以；而智能汽车，我们则希望在一个相对远一些的范围内就能控制。

目前物联网设备常用的联网方式包括RFID/NFC，蓝牙、WiFi、ZigBee、LoRa、NB-IoT等等。

1，RFID/NFC

NFC本质上是一种非接触式射频识别RFID技术，，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。

NFC的运行频率是13.56MHz，读取距离仅为几厘米，主要用于近距离通信，比如刷卡，扫码等等。

2，蓝牙 Bluetooth

蓝牙是一种常用的短距离无线通信技术，我们常用的蓝牙耳机，蓝牙音箱等电子设备就是用这种无线技术连接的。一般蓝牙的工作距离只有10米，虽然现在最新的蓝牙5.0标准可以用于100米的通信。

蓝牙最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息。目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的联接以及智慧家庭、车用物联网等领域中。

我们在《一文带你认识蓝牙的前生今世！》详细向大家介绍了蓝牙这种技术的发展和历史。有兴趣的可以点击上文链接查阅。

3，Wifi

这个大家就更熟悉不过了，现在几乎人人家里都有一个WiFi，Wifi 最常用的就是作为有线互联网和无线局域网的一个接口，这个接口就是我们家里的无线路由器。

Wifi是基于IEEE802.11 协议进行无线通信的，从最早的802.11a,b,g,n,ac,ax,be 已经发展了7代。

2.4GHz 频段支持以下标准（802.11b/g/n/ax），5GHz 频段支持以下标准（802.11a/n/ac/ax），由此可见，802.11n/ax 同时工作在 2.4GHz 和 5GHz 频段，所以这两个标准是兼容双频工作。

Wifi作为和有线互联网的接口，可进行中等距离的快速无线传输，广泛应用于各种移动设备中。

4，Zigbee

ZigBee国内也叫紫蜂技术，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

ZigBee 传输范围一般介于 10～100m 之间，在增加发射功率后，亦可增加到 1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

Zigbee技术的工作频段主要分为三个：2.4GHz、915MHz和868MHz。其中，2.4GHz是全球范围内使用最广泛的频段;915MHz和868MHz则是美国和欧洲等地区使用的频段。

Zigbee 广泛应用各种智能家居设备中。

5，LoRa

LoRa全称Long Range Radio，是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其目的是为了解决功耗与传输难覆盖距离的矛盾问题。一般情况下，低功耗则传输距离近，高功耗则传输距离远，LoRa技术解决了在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远的技术难题，实现了低功耗和远距离两种兼顾的效果。

LoRa是一种基于 chirp spread spectrum (CSS) 扩频调制技术的无线通信方案，由美国Semtech公司开发。其工作原理在于通过线性频率调制（LFM）产生“啁啾”信号，每个数据包的载波频率随着时间线性变化。这种调制方式允许信号在强干扰环境下保持良好的穿透力与抗多径衰落能力，从而实现远距离传输。

LoRa（Long Range）技术凭借其独特的扩频调制机制和超远传输距离，在智能城市、农业监测、工业自动化等领域取得了显著的应用成果。本文将系统性地介绍LoRa技术的基本原理、核心特点、存在的缺点以及广泛的应用场景。

6，NB-IoT

NB-IoT 全称就是Narrow Band Internet of Things，窄带物联网技术，NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。

NB-IoT设备应用了5G移动通信的频谱，包括sub6G和毫米波频谱，具体查看链接：强烈建议收藏——最全无线通信频率表

NB-IoT技术通常应用于智慧城市，共享单车等设备中。

在设计物联网设备时，可以根据其工作特点和应用场景选择合适的无线通信技术，以确保设备的正常高效的工作。

No.2

物联网设备的天线种类

在选择天线类型时，一般根据设备的工作频率，覆盖范围，成本，体积，等因素来选择合适的天线。

常用于物联网设备的天线类型包括:

1, 鞭状天线

鞭形天线是一种可弯曲的垂直杆状天线，其长度与频率相关，一般为1/4或1/2波长。早期的鞭状天线工作频率比较低，尺寸也比较大，现在随着工作频率的升高，其尺寸也在不断缩小。如下图所示

鞭状天线是一种全向天线，其辐射方向图如下图所示：

鞭状天线的尺寸比较大，但是其辐射效果也最好，比如早期的手机天线，对讲机，大哥大，前几年的汽车天线以及有一些wifi路由器，都有应用鞭状天线。

2，贴片天线

贴片天线，也就是微带天线，一般由介质基板、辐射体及接地板构成。介质基板的厚度远小于波长，基板底部的金属薄层与接地板相接，正面则通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。辐射片的形状根据要求可进行多种变化。

微带天线的种类比较多，设计也多样化，主要可分为，微带贴片天线，微带缝隙天线，微带形波天线等。也可以实现多种极化方式，微带圆极化天线是卫星通信比较常用的一种天线。

微带贴片天线的方向图也比较漂亮，如下图所示，由于地的存在，微带天线可以实现比较好的前后比。

3，PCB天线

PCB天线，就是利用PCB上的走线来实现天线的设计，可以将其画成直线走线，反转的F形走线，蛇形或圆形走线等，长度为四分之一波长就基本可以形成天线，将电信号辐射出去或接收信号。

比如在《这个无线鼠标，竟然把电路板露出来了，竟然还有天线！》，我们就看到了这个用曲折线做成的PCB天线。

PCB天线的设计比较灵活，集成度高，成本低，也是目前在IoT设备上应用比较广泛的一种天线。

不同类型的PCB天线，其辐射方向图各不相同，下面是倒F天线的仿真方向图。

4，芯片天线

随着AiP技术的发展，天线的集成度也越来越高，甚至可以直接集成在一个电路上甚至芯片上。下图就是AiP技术的图示

芯片天线主要应用于毫米波甚至亚毫米波波段，其天线尺寸比较小，利于芯片的封装和集成。

No.3

物联网天线的图例

1， NFC天线

2，Wifi/蓝牙/Zigbee 天线图例

总结

天线种类繁多，外置天线通常可以直接使用。然而，对于集成到设备中的天线，需要考虑设备的结构、天线尺寸和形状，通过电磁仿真软件进行设计和仿真，以满足无线设备的特定需求。

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