物联网嵌入式PCB天线：设计和实现的考虑因素

Kevin Hietpas，Pasternack

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物联网设备的诸多考虑因素

由于功率和尺寸的限制，物联网节点通常使用简单的纽扣电池或小型储能设备以延长使用期限（大约数年）。为此，必须使用具有不同“等级”和/或“功率模式”的低能耗协议，以实现不同级别的节能。例如，LoRa设备具有多种电流模式（即发送、接收、合成器、待机、空闲和睡眠），可以使传感器延长使用寿命，从而减少维修。

上行/下行链路的频率与节省电池电量特别相关——预定的上行链路和下行链路可实现低延迟、高吞吐量和高可靠性，而异步、ad-hoc传输可以通过牺牲数据速率和有效载荷大小来扩展范围和延长电池寿命。

物联网设备经常利用广泛的能量收集技术，实现相对无限的电池寿命，无需人工干预。不过，这增加了节点成本和复杂性。

无论是哪个行业，物联网设备通常都会利用种类繁多的蜂窝、蓝牙和Wi-Fi协议，以便与本地监控系统集成和扩展。多协议物联网平台通常包含更加小众的物联网协议（例如ZigBee、LoRa、Sigfox等）以及低功耗蓝牙(BLE)、Wi-Fi或蜂窝模块，以将两者的优势合二为一。利用Wi-Fi的设备更容易连接到云，允许从任何远程位置进行控制/配置和固件升级。

包含BLE和sub-GHz低功耗广域网解决方案的节点可以为实时定位系统提供蓝牙信标，同时还可以远程控制如工业照明之类的简单机制。尽管如此，蓝牙和蜂窝设备需考虑的主要因素还有测试和认证。这两种协议都需要进行广泛的测试和证明才能获得批准并发布。

为何要关注天线？

在物联网传感器技术、协议、供应商特定的SoC和开发板构成的庞大格局中，天线、链路预算和节点之间无线链路的完整性经常受到忽视。大多数物联网设备使用鞭状天线、PCB或芯片天线，具体通常根据具有特定垂直/水平波束宽度的全向方向图确定。如果须连接特定的边缘设备，则可以使用定向天线（例如八木）来扩展范围。每种天线类型都有其各自的优点和考虑因素。

PCB天线的增益和尺寸之间较为平衡，因而效率很高。PCB天线具有低剖面的特性，可以轻松在外壳内部进行配置，而不是像具有代表性的鞭状天线那样伸出。与芯片天线不同，PCB天线可以在相对较大的带宽上以相对较高的增益工作。在制造过程中，PCB天线甚至可以嵌入到系统级板中，从而实现更小的设备尺寸。

除了基板面之外，天线设计和放置可能还需要着重考虑链路的完整性——辐射质量会直接受到相邻电子元件、金属外壳硬件以及环境干扰的影响。在尝试提高链路预算时，必须考虑发射/接收天线增益、特定载波频率下的自由空间路径损耗、天线馈电损耗、发射机和接收机损耗以及各种环境损耗等因素。然而，无论环境如何，方向图、增益、VSWR和带宽都是在无线连接开发和优化的第一步中进行初步评估的参数。

了解常见的PCB天线设计

PCB天线结构可以是单极、偶极、槽形、贴片和平面倒F(PIFA)。对于每个PCB天线结构，都有专门面向其设计且带有广泛方程的大量书籍、应用笔记和博客。

以下介绍几种天线结构及实际考量。

偶极和单极天线

偶极天线由两个四分之一波长(λ/4)长的金属条组成，总电长度要求为载波频率下半波长(λ/2)，以实现最大响应（图1）。由于蓝牙和Wi-Fi等传统协议的广泛使用，许多天线文献专注于2.4GHz ISM频段的天线设计。在2.4GHz时，偶极天线的长度约为6cm，对于某些应用来说可能过大。全向辐射方向图具有垂直于其长度（z轴）的集中电磁能量，中间（沿z轴）具有零点。这通常需要将其放置在垂直方向以获得最大水平覆盖范围——对于打算在物联网设备中使用偶极（或单极）天线的设计人员来说，这是一个需要慎重考虑的因素。

图1 偶极天线，2.4GHz，增益为2dBi

添加接地元件，消除了偶极的一个臂，从而形成了一种包括单个四分之一波长导电元件并由接地元件充当另一个四分之一波长臂的结构。类似于镜子，接地元件可生成与导电元件相同（相同的电流流动方向和相位）的方向图的“虚拟图像”。为了使接地元件发挥最佳功能，必须保证其远远大于半波长。有限接地元件会导致辐射波的边缘衍射，从而导致电磁能量从边缘径向向外移动并泄漏到接地元件后方。¹

理想情况下，对于感知上无限的接地元件，四分之一波长单极天线的增益应为半波长偶极天线的两倍，因为接地元件仅向其上方的区域辐射。这会导致形成某种程度的“抬升”方向图（见图2）。再次沿导电四分之一波长元件的长度（z轴）创建一个零点，显示出理想的垂直方向。

图2 显示接地元件影响的单极天线方向图

弯曲单极天线

L形（或倾斜鞭状和倒L）、平面倒F(PIFA)和曲折倒F(MIFA)等结构的弯曲单极变体利用的是相同的接地元件和导电臂方法，但导电臂模式不同。走线的弯曲可使尺寸更紧凑，以及减少辐射方向图中的零点。然而，在这些设计中，天线走线通常不能离地太近，以免导致天线充当没有任何辐射的传输线。²

在这些变体中，PIFA最为常见，因为其具有较小的PCB面积和宽带宽性能。如图3所示，PIFA在主谐振线上有一个折叠，该折叠引入了一个电容，被线末端的短路馈电点抵消。通过调整A、B和C的长度获得与天线馈源匹配的阻抗，其中A和C的尺寸对四分之一波长元件有利，而B则针对匹配阻抗进行调整。还可以纳入外部匹配网络以进行额外调整。

图3 PIFA电路板布局

MIFA天线（图4）增加了总长度并通过不同方向的走线/线压缩实现共振，因此类似于螺旋形天线。在MIFA中，水平线和垂直线形成了多个转弯。与PIFA一样，通过调整曲折线内的几何形状来完成调谐。这有效地减小了天线的尺寸。但是，有利就有弊，其他方面可能会受到影响，例如增益降低且范围因此而缩小，调谐的依赖性增加且带宽因此而变得更窄，以及对来自外部源以及板上本地电子元件干扰的敏感性增加。

图4 800/900MHz MIFA天线，增益为2dBi

偶极天线变体

印刷偶极天线主要面临尺寸上的劣势。这尤其与低频相关；在这里，单极天线元件的优势在于其可以潜在放置在电路板的一角，接地元件既用作天线的射频地平面/返回路径，又用作物联网模块的本地电气组件的接地元件。然而，随着工作频率的增加，这一劣势就不再那么突出了。此外，可以与弯曲单极天线结构一样采用不同的偶极模式来增加带宽和减小尺寸。

使偶极臂逐渐变窄是一种已知的带宽增强技术。例如，平面锥形偶极天线（也称为蝶形天线）（图5）表现得如同均匀的锥形传输线。当射频信号施加在馈源上时，电流会径向向外流动并形成一个封闭的磁场。然而，电流在蝶形边缘突然终止，导致与其3D双锥形相比，反射更多、宽更窄。尽管如此，相对于其他偶极天线，该天线可以在较大的频率范围内实现相对恒定的阻抗和增益。图5中的天线在大带宽（4.9至5.9GHz）上表现出高增益(4.5dBi)。

图5 平面锥形偶极或蝶形天线

沿着在弯曲单极四分之一波长天线中发现的相同推理路线，可以通过弯曲偶极元件的导电臂得到更小的外形尺寸（图6）。如前所述，这优化了Q值，但会降低整体带宽和效率。因此，在应用中使用自谐振节省空间的技术（例如螺旋形或弯曲形的导电臂）必须权衡利弊。

图6 偶极天线使用的是弯曲的导电元件，以节省空间

一般平面天线的考虑因素

电路板布局

需要考虑一些通用的设计原则，通过低剖面外形和潜在的空间节省实现最大效益。对于单极天线，足够的接地元件至关重要；良好的质量/较大的接地元件可以改善VSWR并与理论天线行为密切相关。对于集成到模块板上的平面天线，天线周围的禁止区域要求板没有铜走线或接地填充物。在多层设计中，需要沿着禁止区域边缘的通孔来连接接地元件。

天线调谐或对走线尺寸或导电臂长度的细微调整必须在外壳内而不是在自由空间中进行，因为外壳和其运行环境会影响其辐射性能。此外，布局的变化通常会导致天线性能的变化，因此必须进行测试。

走线宽度较厚的天线往往具有更宽的带宽，如锥形偶极天线等结构。除导电元件的走线厚度和长度之外，相对介电常数(ε_r)和基板材料（例如FR4、柔性PCB(FPCB)和Teflon）的厚度也会影响天线性能。

阻抗匹配

阻抗失配会导致不必要的反射和信号丢失，因此天线馈电处的pi或T匹配等集总元件匹配网络可实现最大功率传输。更为复杂的匹配网络支持通过串联和并联电感和可变电容元件（例如MEMS开关）进行调谐。包括单根或多根调谐器在内的其他变体可以牺牲空间为代价提供更宽的带宽。这些结构在匹配应用所需的传输和接收频带的同时，减少了方向的变化以及天线附近可能导致信号衰减的障碍物和物体的影响等外部因素的影响。

偶极天线能够在LTE/5G系统中采用相对简单的多频段、双极化设计（图7）来适应MIMO的实现，因而得到广泛应用。天线和传输线的阻抗匹配通常通过使用集成微带巴伦来实现。差分馈电平面偶极子天线还与集成马相（Marchand）巴伦一起使用，以使天线与其馈电网络之间形成平衡过渡。双极化平面偶极天线通过使两个相同元件形成两个不同方向并同时表现出低交叉极化来实现。³

图7 双频全向偶极天线,，2.4/5GHz

外壳

物联网设备和传感器通常采用坚固耐用的外壳，以防止风、降水、紫外线、湿度和盐水等环境因素造成损坏。可以使用NEMA等级和/或IP等级的外壳：但是，这些外壳没有考虑各个部件对天线辐射方向图的影响。即使是模制塑料外壳也会导致射频损耗，因此应在制造前进行测试和鉴定。聚碳酸酯外壳显然将表现出与热塑性外壳以及不锈钢外壳不同的信号损耗特性。焊盘、引脚、轨道和接地元件等金属组件会导致天线效率、增益和带宽下降，而支架、挂锁、螺钉/螺柱甚至外部杆安装套件等金属外壳组件会导致信号衰减。

在部分应用中，外壳本身用于调整天线辐射方向图。例如，可以通过导向器或反射器带改变偶极天线方向图。导向器带可调整天线内的辐射元件以改变其频率响应，而反射器带或天线外壳的金属部分可调整天线方向图以适应覆盖区域并为天花板/墙壁装置提供潜在支持。在利用商用现货PCB天线时，验证其外壳内部和外部的性能以确保该结构不会对预期性能产生负面影响很重要。

认证

物联网设备认证是从原型到生产的设计过程的重要组成部分。对于蓝牙和蜂窝设备而言尤其如此。例如，GSMA在其TS.51报告中定义了使用3GPP通信（例如，NB-IoT、LTE-M和CAT1/CATbis）的物联网设备的空中(OTA)测试。⁴定义了总辐射功率和总辐射灵敏度的测试和性能要求。这些参数可评估天线性能，OTA性能较差会导致高误块率以及潜在的访问失效。然而，在使用免许可频谱时，符合FCC EIRP规定通常是最关键的设计考虑因素。

结论

PCB天线适合具有窄单频带和多频带选项的广泛应用。使用常见的弯曲/曲折技术可以减小天线的尺寸和面积，但是，这需要考虑一系列效率和灵敏度的问题。

对于高增益天线，链路预算的限制将更加宽松，宽走线通常对应大带宽。尽管如此，这些都需要增大尺寸，在物联网行业，传感器的小型化、易于安装和可扩展性是重要的考虑因素。

商用现货天线具有经过验证的结构和性能，但这并不能确保天线在所选择的外壳内工作。

简单的单极（例如PIFA和倒L）和弯曲偶极的基本结构是比较常见的选择。然而，这些天线只是冰山一角，具体取决于载波频率、工作带宽、极化、尺寸和成本。

参考文献

1.          E. Holzman, “Essentials of RF and Microwave Grounding,” Artech House, Norwood, MA, 2006.

2.          AN2731: Compact Planar Antennas for 2.4 GHz Communication, NXP Semiconductor, Rev. 4, November 2020.

3.          Iswandi, M. N. Z. Akbar, A. K. D. Jaya and E. S. Rahayu, “Modification of Multi Band Printed Dipole Antenna for Indoor Base Station of LTE Systems,” 10th International Conference on Information Technology and Electrical Engineering, July 2018, pp. 551–555.

4.          OTA Testing of IoT Device, GSMA, V. 2.0 Feb 2021, www.gsma.com/newsroom/wp-content/uploads//TS.51-v2.0.pdf.