物联网天线,该怎样提需求?

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本文是本人根据多年天线设计工程经验,结合现阶段本人参与的大部分物联网产品而总结出来的,希望对想进一步提高产品射频通信性能的公司和厂家提供帮助。另外,在写这篇文章时,本人也进行了思想纠结,最后还是决定把它写成科普性文章,因此文章用词未免不严谨,抱歉。
 
一、关于天线那点事:
 
A)  天线主要指标:
天线的指标是非常多的,其中很多指标是相互关联的,只是看问题角度不同罢了。根据本人工程经验,如能正确把握好增益,效率,波束宽度,回波损耗等主要指标的平衡关系,你的天线性能是能达到预期的。
 
另外,有人把天线分成外置天线和内置天线(实际本人也经常这么分),这实际是个相对概念或者是伪命题。从物理位置来说,有意义;从天线设计来说是没有意义的。天线仿真软件设计的天线,都是真空环境中的天线,这在实际应用环境中是找不到的,而天线的电性能跟天线周围的介质材料特性又密不可分。例如,密封在物联网水、电、气表中的天线是内置天线,这个好理解,那么在这次疫情防控期间出现的物联网房门封条,很多用的是棒状天线,你说它是内置天线还是外置天线?从天线设计者角度来说,它也是内置天线,因为天线周围除了空气之外,还有砖混结构的墙体和金属房门,这些介质对天线性能是有影响的。
结论:脱离实际应用环境给出的天线指标是没有意义的,或是打折扣的。因此,天线指标应该是实际应用环境中的指标。
 
 
B)   增益:
 
天线的本质是无源的,因此不可能对信号进行放大。这里的天线增益实际是一个方向性参数,它的物理意义是此处的信号强度与标准天线在此处信号强度大小之比。举个同样当量火炸药的炮弹与地雷的例子说明,地雷爆炸时的杀伤范围是半径10米的圆,而炮弹的杀伤是沿弹道1000米处的A点(假设弹头不爆炸,与地雷同当量的炮弹火炸药只起推进作用),那么在弹道方向,炮弹的杀伤距离是地雷的100倍。相反,在其它方向上,炮弹的杀伤距离比地雷小无穷倍。
有一个误区,很多用户选天线时,光想选高增益的天线,你确定这个选择正确吗?这里我需要跟你补充一下,你需要的是“弹道方向”上的高增益天线。我们在中学物理上就知道一个道理,能量是守恒的,因此对天线来说,在一个方向上信号强,在其它方向上就会弱。
结论:别光听忽悠,你需要的是信号方向上的增益,不在信号方向上的增益再大都没用。所以,你要知道你所选天线的方向图,最起码天线厂家要给你个说法。
 
 
C)  效率:
 
辐射效率指天线辐射出去的功率与天线的激励功率之比。辐射效率越高,内耗功率越少;反之,辐射效率越低,内耗功率越大。这里的辐射是指整个球面的辐射总和,并不关心是信号有用方向还是无用方向。但无论如何,高辐射效率再加上天线设计师方向图的调整,肯定是有百利而无一害的。根据仿真结果和实际测试相结合的经验,效率达90%以上时,天线效果不会太差。
结论:高效率是永恒的追求目标。
 
 
D)  波束宽度:
 
经常讲PPT的人,都会用到“激光”笔,给观众一个醒目的提示。它的光束类似一条直线,射程很远。同样是两节5号电池的手电筒,它的射程就没有那么远了,但它的光束类似一个圆锥形,覆盖面大了很多。
 
电磁波束与光波束相类似。同样激励功率的前提下,波束越宽,增益越低,覆盖面越大;波束越小,增益越高,覆盖面越小。追求高增益,能提高传输距离,但目标必须对准;追求宽波束,相当于撒大网,相对近距离目标应收尽收。
结论:波束宽度和天线增益是一对矛盾,虽然很纠结,但也要找平衡点。如果吃不准,把你的应用场景告诉天线设计师,一块找平衡点。
 
 
E)  回波损耗:
 
举一个不太恰当的例子,用高压水枪对着墙上的一个小洞进行喷水,试图把水喷到墙的另一面,如果水柱粗细跟墙洞相匹配,水会全部喷到墙的另一边,但如果水柱较粗或准头差点,则会有一部分水打到墙壁上反射回来。如果不想让水反射回来,有两个办法,一个是调整水柱粗细并提高射击准头(办法积极),另一个是在墙洞周围布上吸水性很强的材料,水不反射了,但射到墙另一边的量也少了(办法消极)。
天线与电路板的匹配,就跟这个现象很像。匹配的好,大部分能量会发射出去。匹配不好,能量会反射回来。但是,这里面有一个漏洞,如果一味地追求匹配指标,可以在电路中加一个衰减电阻,把反射回来的信号消耗掉,一样指标很好看。
结论:我们需要的是天线辐射出去的能量足够多,并不以回波损耗硬指标论英雄。
 
 
F)  通信距离:
 
物联网通信就是在一定距离上要保证可靠的数据传输。但是,由于传输介质的不确定,很难给出精确地计算公式,不过在空气介质中传输的工程公式还是有的。
 
20LgD= P+G1+G2-32.5-20LgF-S
 
其中:
 
D:传输距离(Km)
 
P:发射机发射功率(dBm)
 
G1:发射机天线增益(dB)
 
G2:接收机天线增益(dB)
 
F:通信频率(MHz)
 
S:接收机接收灵敏度(dBm)
 
结论:信号强度或传输方向天线增益增加6dB,距离增加一倍。
 
 
二、正确提出天线需求
 
A)  天线需求的误区
 
经常有客户问我有什么什么指标的天线吗?我基本上无言以对。说老实话,如果我说有,你信吗?假如我有,我这个天线是在特定使用环境中的指标,到你的环境中还有效吗?你的使用环境跟我当初的设计使用环境一样吗?尤其像复杂电磁环境下的“内置”天线。
 
对最终用户来说,实际应用环境中的指标更有意义。套用一句话“房子是拿来住的,不是拿来炒的”,我要说“天线是拿来用的,不是拿来忽悠的”。理想环境下(裸天线暗室测试)的测试指标就是为了忽悠;正常工作环境下(天线安装在整机上)的测试指标才有实际意义。
 
 
B)  天线的理想环境与真实环境的指标偏差
 
天线的理想环境与真实环境的指标偏差大小,取决于电磁干扰差别的多少(这是个电磁兼容问题)。说老实话,以我的水平很难建立起数学模型,但有一些经验值可以告诉你。“内置”天线以移动920MHz的NB-IoT频点为例,谐振频率偏差200MHz以内是稀疏平常的。
 
也有客户说,我随便外面找了一个天线也能用啊?这里我要强调的是天线就像一道门,如果外边的光束对着门照射进来,那么进来的光强度会很强,你满房子任何角落都可以看书;如果门开偏了,那光线只好从门缝进来,你只有趴到门缝处看书了。
 
 
C)  天线需求的正确打开方式
 
如果你有微波与射频的背景知识,可参考前面的距离公式,提出指标建议。请注意,“鱼和熊掌是不可兼得的”,如果你提出高增益指标,那么尺寸不会太小,波束不会太宽。
 
否则,将实际应用场景描述给天线工程师,并将整机样品提供给天线工程师,由天线工程师根据整机结构和实际应用场景进行评估并反馈意见。
 
天线是一门门槛不低的学问,请找真正有技术支撑能力的工程师与你合作,那么你的整机天线指标不会差。
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