物聯(lián)網(wǎng)天線設(shè)計(jì)步驟

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）天線設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且多步驟的過(guò)程，通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

根據(jù)電磁波傳輸理論，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率天線的電氣尺寸。這一步驟是天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，需要考慮天線的工作頻率、所需帶寬以及預(yù)期的性能指標(biāo)（如增益、輻射效率等）。

使用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行天線設(shè)計(jì)仿真。通過(guò)仿真可以計(jì)算天線的電氣參數(shù)，如阻抗、增益、方向圖等，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足預(yù)期的性能要求。

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)輸出的天線尺寸和材料要求，制作樣品。這一步驟通常在專(zhuān)業(yè)的制造平臺(tái)上進(jìn)行，如嘉立創(chuàng)平臺(tái)，以確保樣品的尺寸和材料符合設(shè)計(jì)要求。

最后一步是對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以驗(yàn)證其實(shí)際性能是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期。測(cè)試內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試S11參數(shù)和輻射參數(shù)等。通過(guò)這些測(cè)試，可以進(jìn)一步優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的性能。

此外，物聯(lián)網(wǎng)天線設(shè)計(jì)還需要考慮以下幾點(diǎn)：

定制化需求：根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)約束，可能需要對(duì)天線的尺寸、形狀或電氣特性進(jìn)行調(diào)整。

集成性：天線設(shè)計(jì)應(yīng)盡早納入整體設(shè)計(jì)流程中，以確保其與設(shè)備其他組件的兼容性和最佳性能。

選型標(biāo)準(zhǔn)：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮回波損耗、帶寬、輻射效率、輻射圖型和增益等關(guān)鍵參數(shù)。

通過(guò)以上步驟和注意事項(xiàng)，可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足特定需求的高效物聯(lián)網(wǎng)天線。

以WiFi內(nèi)置PCB天線為例，詳細(xì)展開(kāi)以上個(gè)各步驟，如下： 天線，是電磁波接收發(fā)射設(shè)備，起到電場(chǎng)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、磁場(chǎng)轉(zhuǎn)電場(chǎng)的作用。傳輸信號(hào)，但不能放大信號(hào)！ 天線的電氣尺寸，與波長(zhǎng)相比擬。通常偶極子天線的兩臂長(zhǎng)度尺寸約等于λ/4。多數(shù)其他形式的天線都是偶極子天線的變型。

1、理論計(jì)算：

根據(jù)電磁波傳輸理論，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率天線的電氣尺寸； 某種頻率的電磁波在介質(zhì)里的傳輸波長(zhǎng)，計(jì)算公式為： λ=C/f , λ為波長(zhǎng)，f為頻率，C為介質(zhì)中的傳播速度 其中C=C0/√εr C0為電磁波在真空中的傳播速度，等于光速；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； WiFi的頻率為2.4~2.483 GHz,介質(zhì)為PCB（FR4的相對(duì)介電常數(shù)為3.6~4.4)，其λ/4的尺寸為： λ/4=3.0 x 10^8 /(2.45x10^9 x √4.4 x 4)=0.0139米=13.9mm (注：以FR4=4.4計(jì)算，但實(shí)際工程量產(chǎn)的數(shù)值，需要進(jìn)一步跟PCB板廠確認(rèn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，‘13.9mm’這個(gè)值實(shí)際中在18~26mm之間。）

2、EDA工具仿真

HFSS是專(zhuān)業(yè)的射頻仿真軟件，常用于天線設(shè)計(jì)； HFSS仿真軟件，可以依據(jù)天線的用料及尺寸，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的天線參數(shù)。此案例中，我們定義為天線的形式為PIFA天線，兩臂長(zhǎng)度在18~26mm選取。通過(guò)軟件計(jì)算最終得出對(duì)應(yīng)的天線尺寸。從而輸出到下一步，為天線制樣提供物理尺寸。 HFSS仿真軟件，大概步驟，建模(選定天線用料及尺寸）、設(shè)定計(jì)算條件（比如，驅(qū)動(dòng)模式、頻率起始、饋電模式、等）、計(jì)算及輸出結(jié)果、（可調(diào)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算）； 具體操作及實(shí)現(xiàn)步驟非本文重點(diǎn)，故略之。 本實(shí)例，天線的用料及尺寸為，PCB 20x20mm，板厚T=1.0mm； 輻射陣子(PCB鋪銅區(qū)域)，取為不規(guī)格弧形區(qū)域，見(jiàn)下圖；

仿真后的參數(shù)結(jié)果為，見(jiàn)圖；

3、樣品制作

依據(jù)仿真設(shè)計(jì)輸出天線的尺寸工程圖紙，以制作樣品； 本實(shí)例天線形式為PCB+cable+IPX接頭，Cable+IPX接頭為標(biāo)準(zhǔn)品，因此主要輸出PCB及其線路圖(天線輻射臂）。

設(shè)計(jì)完成后，輸出PCB板子GERBER文件，到平臺(tái)打板PCB樣品

4、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

測(cè)試實(shí)際樣品的S11參數(shù)、輻射參數(shù) PCB板子到手后，焊接天線，來(lái)做實(shí)際的物料指標(biāo)測(cè)試； S11參數(shù)測(cè)試，對(duì)應(yīng)的儀器為 網(wǎng)絡(luò)分析儀； 輻射參數(shù)(增益、效率、場(chǎng)型圖）測(cè)試，3D微波暗室測(cè)試；

測(cè)試結(jié)果為

【S11參數(shù)】

【輻射參數(shù)】

增益 、場(chǎng)型圖

該案例完整闡述了IoT物聯(lián)網(wǎng)天線的設(shè)計(jì)步驟，以及測(cè)試方法、測(cè)試環(huán)境(設(shè)備及儀器)。

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在我們長(zhǎng)期投身于蜂窩物聯(lián)網(wǎng) ODM/OEM 解決方案的實(shí)踐過(guò)程中，一直被物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)碎片化與產(chǎn)業(yè)資源碎片化的問(wèn)題所困擾。從產(chǎn)品定義、芯片選型，到軟硬件研發(fā)和測(cè)試，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的碎片化以及產(chǎn)業(yè)資源的碎片化，始終對(duì)團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)交付質(zhì)量和效率形成制約。為了減少因物聯(lián)網(wǎng)碎片化而帶來(lái)的重復(fù)開(kāi)發(fā)工作，我們著手對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)中高頻應(yīng)用的技術(shù)知識(shí)進(jìn)行沉淀管理，并基于 Bloom OS 搭建了不同平臺(tái)的 RTOS 應(yīng)用生態(tài)。后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)，很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)都面臨著相似的困擾，于是，我們決定向全體物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)開(kāi)發(fā)者開(kāi)放奇跡物聯(lián)內(nèi)部沉淀的應(yīng)用技術(shù)知識(shí)庫(kù) Wiki，期望能為更多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者減輕一些重復(fù)造輪子的負(fù)擔(dān)。

Cellular IoT Wiki沉淀的技術(shù)內(nèi)容方向如下：

奇跡物聯(lián)的業(yè)務(wù)服務(wù)范圍：基于自研的NB-IoT、Cat1、Cat4等物聯(lián)網(wǎng)模組，為客戶(hù)物聯(lián)網(wǎng)ODM/OEM解決方案服務(wù)。我們的研發(fā)技術(shù)中心在石家莊，PCBA生產(chǎn)基地分布在深圳、石家莊、北京三個(gè)工廠，滿(mǎn)足不同區(qū)域&不同量產(chǎn)規(guī)模&不同產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的生產(chǎn)制造任務(wù)。跟傳統(tǒng)PCBA工廠最大的區(qū)別是我們只服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)客戶(hù)。

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審核編輯 黃宇