优化天线连接，提升物联网设备功率与效率

电子发烧友网报道（文/李宁远）物联网的发展渗透使我们的互联水平达到前所未有的高度。物联网的成功发展离不开许许多多的基础设施，比如传感器，天线组件等等。
 
天线组件是一个相当重要的部件。全球以数十亿计的无线物联网设备依赖电池供电，维持它们在各种应用中的运转。这些由电池驱动的设备需要保利用天线组件持无线连接，以提供持续服务，同时在不更换电池的情况下这些设备的使用寿命可能需要达到5至10年。因此，要保证如此长的使用寿命，物联网设备的功耗至关重要。
 
多种因素影响无线设备的功耗
 
决定无线设备功耗的因素并不是单一的，首先设备需要传输和接收的数据量将功耗的范围框定在了一个区间内。考虑到设备无线网络的地理覆盖面和范围以及设备通信时间与睡眠时间的比例，根据设备实际使用中的具体情况，功耗也会受很大影响。
 
无线协议本身也是影响功耗的因素，有些支持低功率低数据传输的无线协议在设备上的功耗天然就低一些。比如广为人知、备受欢迎的无线技术WiFi，是智能家居和智能建筑应用的理想选择，但对于大多数低功耗物联网应用来说，这种无线协议太过耗电。用于短程通信的低功耗蓝牙数据速率比WiFi低不少，功耗也低很多。支持物联网连接的无线协议众多，每种技术在成本、性能上表现不一，根据具体应用选择最适合的无线协议也是降低功耗的重要一环。
 
除了上面这些因素，根本上最影响功耗的，还是设备天线组件的射频性能。根据天线理论里最基本的弗里斯传输公式，在覆盖范围确定的无线链路中，从给定发射功率接收到的功率水平由发射和接收天线的射频性能（增益、方向性、阻抗匹配效率、辐射效率）以及两个天线之间的偏振匹配效率决定。也就是说，无线链路为了达到一定的接收功率，所需要的发射功率是由天线性能决定的。
 
优化无线提高设备效率
 
应用场景决定天线辐射方向
 
天线辐射方向展示了天线在特定方向上的发射以及接收功率强度，以蓝牙插槽天线为例，其天线辐射在X-Z平面的增益很低，所以沿该平面方向发射/接收的功率很小。Y平面的天线辐射增益会明显大于X-Z平面，所以当该蓝牙天线用于发射时，需要将该天线的Y轴指向接收天线，以最大程度地提升输送到接收天线的功率，并避免天线在X-Z平面上部署接收天线产生干扰。
 
作为接收使用，天线也同样需要将最大增益辐射方向指向入射波的方向。比如车辆与车辆通信时，天线需要在水平面上用全向辐射，而车辆与卫星通信时则相反，天线则应该保持对天空的辐射最大，水平面辐射要极可能小。
 
天线带宽与目标频段
 
天线的RL表明了最大的被反射功率，剩下的功率会被传送到天线进行发射，这个回波损耗定义了天线的带宽。在为物联网设备选择天线时，天线组件实际的带宽大于目标频段的带宽是非常重要的。因为理论上的带宽在天线组件被集成进设备中后，会因为附近的SMT元件等结构发生阻抗改变，进而使频率发生改变。
 
只有在天线的带宽大于目标频段时候，回波损耗才可能在天线性能改变后依旧满足目标频段的性能要求。但是一味地提高天线带宽又会使组件更容易接收到干扰，所以根据不同的物联网应用需求确定带宽是保证天线组件稳定运行的关键。
 
天线部署优劣
 
外部天线的部署模式这里不做对比，隐形化的内部天线部署方式很多，而且各有优劣，有些可能极大地影响天线效率和带宽。
 
非常典型的一种内部部署天线是SMT天线，优势在于它可以采用回流焊接，但是这种方式下天线性能取决于接地板尺寸，而且与插片安装天线相比占用的电路板空间更多。PCB插片天线节省了一大部分电路板空间，而且呈现的辐射性能比SMT天线更好，但是通常只能使用手工焊接。
 
FPC天线也是一种较为流行的类型，天线被安装在设备的塑料外壳中，天线性能不再取决于接地板尺寸，而是由天线安装和电缆走线决定。这一类型还有个优势在于设备的无线电板尺寸可以根据需要调小，比上面两种部署类型更为灵活。
 
射频电缆的优化
 
射频同轴电缆可以帮助天线获得更强的信号并降低电路板的射频噪声水平，是天线组件的一大助力，但是射频同轴电缆不可避免地存在损耗，尤其是在高频应用中，电缆长度会增强损耗，也会催生出EMC问题。
 
通常会在天线端口附近的电缆上放置铁氧体磁珠抑制电缆上的无用电流，较少其对天线性能的影响。也可以是将电缆的屏蔽层接地到PCB或附近的金属结构上，使屏蔽层进行接地减少射频同轴电缆对天性性能的不利影响。
 
小结
 
提升天线组件的性能，并为物联网应用合适地配置天线组件能从根本上提升无线物联网设备的功率效率。