物聯網，英文全稱為internet of things，簡稱IoT，也是一個流行了好久的名詞了。類似于互聯網，把人與人之間鏈接起來了，而物聯網就是把物與物也鏈接起來。無論是互聯網還是物聯網，都是為了萬物互聯的這一終極目標。

其實我們身邊的很多電子設備都實現了物聯網的功能，大到一個汽車，尤其是現在的電動汽車，物聯網就是其智能化的一個網絡基礎；小到家里的電視盒子，智能燈泡，小朋友的玩具，都可以接入了網絡這個大家庭中。

物聯網的基礎是無線技術，而天線作為無線通信的眼睛，更是物聯網設備中必不可少的關鍵器件。哪怕是小小的電子標簽，上面都會有一個天線。

如何選擇一個合適的天線，是一個物聯網設備設計的關鍵。通過這篇文章我們一起來總結一下目前用于物聯網設備上的那些天線吧。

No.1

物聯網常用的通信方式和頻率

物聯網設備的覆蓋范圍和工作頻率，是選擇天線的關鍵。比如一些家用電器，通常需要覆蓋家里的小范圍就可以；而智能汽車，我們則希望在一個相對遠一些的范圍內就能控制。

目前物聯網設備常用的聯網方式包括RFID/NFC，藍牙、WiFi、ZigBee、LoRa、NB-IoT等等。

1，RFID/NFC

NFC本質上是一種非接觸式射頻識別RFID技術，，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預。

NFC的運行頻率是13.56GHz，讀取距離僅為幾厘米，主要用于近距離通信，比如刷卡，掃碼等等。

2，藍牙 Bluetooth

藍牙是一種常用的短距離無線通信技術，我們常用的藍牙耳機，藍牙音箱等電子設備就是用這種無線技術連接的。一般藍牙的工作距離只有10米，雖然現在最新的藍牙5.0標準可以用于100米的通信。

藍牙最大特色在于能讓輕易攜帶的移動通訊設備和電腦，在不借助電纜的情況下聯網，并傳輸資料和訊息。目前普遍被應用在智能手機和智慧穿戴設備的聯接以及智慧家庭、車用物聯網等領域中。

我們在《一文帶你認識藍牙的前生今世！》詳細向大家介紹了藍牙這種技術的發(fā)展和歷史。有興趣的可以點擊上文鏈接查閱。

3，Wifi

這個大家就更熟悉不過了，現在幾乎人人家里都有一個WiFi，Wifi 最常用的就是作為有線互聯網和無線局域網的一個接口，這個接口就是我們家里的無線路由器。

Wifi是基于IEEE802.11 協議進行無線通信的，從最早的802.11a,b,g,n,ac,ax,be 已經發(fā)展了7代。

2.4GHz 頻段支持以下標準（802.11b/g/n/ax），5GHz 頻段支持以下標準（802.11a/n/ac/ax），由此可見，802.11n/ax 同時工作在 2.4GHz 和 5GHz 頻段，所以這兩個標準是兼容雙頻工作。

Wifi作為和有線互聯網的接口，可進行中等距離的快速無線傳輸，廣泛應用于各種移動設備中。

4，Zigbee

ZigBee國內也叫紫蜂技術，是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節(jié)點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee 傳輸范圍一般介于 10～100m 之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到 1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

Zigbee技術的工作頻段主要分為三個：2.4GHz、915MHz和868MHz。其中，2.4GHz是全球范圍內使用最廣泛的頻段;915MHz和868MHz則是美國和歐洲等地區(qū)使用的頻段。

Zigbee 廣泛應用各種智能家居設備中。

5，LoRa

LoRa全稱Long Range Radio，是基于Semtech公司開發(fā)的一種低功耗局域網無線標準，其目的是為了解決功耗與傳輸難覆蓋距離的矛盾問題。一般情況下，低功耗則傳輸距離近，高功耗則傳輸距離遠，LoRa技術解決了在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠的技術難題，實現了低功耗和遠距離兩種兼顧的效果。

LoRa是一種基于 chirp spread spectrum (CSS) 擴頻調制技術的無線通信方案，由美國Semtech公司開發(fā)。其工作原理在于通過線性頻率調制（LFM）產生“啁啾”信號，每個數據包的載波頻率隨著時間線性變化。這種調制方式允許信號在強干擾環(huán)境下保持良好的穿透力與抗多徑衰落能力，從而實現遠距離傳輸。

LoRa（Long Range）技術憑借其獨特的擴頻調制機制和超遠傳輸距離，在智能城市、農業(yè)監(jiān)測、工業(yè)自動化等領域取得了顯著的應用成果。本文將系統性地介紹LoRa技術的基本原理、核心特點、存在的缺點以及廣泛的應用場景。

6，NB-IoT

NB-IoT 全稱就是Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網技術，NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存。

NB-IoT設備應用了5G移動通信的頻譜，包括sub6G和毫米波頻譜，具體查看鏈接：強烈建議收藏——最全無線通信頻率表

NB-IoT技術通常應用于智慧城市，共享單車等設備中。

在設計物聯網設備時，可以根據其工作特點和應用場景選擇合適的無線通信技術，以確保設備的正常高效的工作。

No.2

物聯網設備的天線種類

在選擇天線類型時，一般根據設備的工作頻率，覆蓋范圍，成本，體積，等因素來選擇合適的天線。

常用于物聯網設備的天線類型包括:

1, 鞭狀天線

鞭形天線是一種可彎曲的垂直桿狀天線，其長度與頻率相關，一般為1/4或1/2波長。早期的鞭狀天線工作頻率比較低，尺寸也比較大，現在隨著工作頻率的升高，其尺寸也在不斷縮小。如下圖所示

鞭狀天線是一種全向天線，其輻射方向圖如下圖所示：

鞭狀天線的尺寸比較大，但是其輻射效果也最好，比如早期的手機天線，對講機，大哥大，前幾年的汽車天線以及有一些wifi路由器，都有應用鞭狀天線。

2，貼片天線

貼片天線，也就是微帶天線，一般由介質基板、輻射體及接地板構成。介質基板的厚度遠小于波長，基板底部的金屬薄層與接地板相接，正面則通過光刻工藝制作具有特定形狀的金屬薄層作為輻射體。輻射片的形狀根據要求可進行多種變化。

微帶天線的種類比較多，設計也多樣化，主要可分為，微帶貼片天線，微帶縫隙天線，微帶形波天線等。也可以實現多種極化方式，微帶圓極化天線是衛(wèi)星通信比較常用的一種天線。

微帶貼片天線的方向圖也比較漂亮，如下圖所示，由于地的存在，微帶天線可以實現比較好的前后比。

3，PCB天線

PCB天線，就是利用PCB上的走線來實現天線的設計，可以將其畫成直線走線，反轉的F形走線，蛇形或圓形走線等，長度為四分之一波長就基本可以形成天線，將電信號輻射出去或接收信號。

比如在《這個無線鼠標，竟然把電路板露出來了，竟然還有天線！》，我們就看到了這個用曲折線做成的PCB天線。

PCB天線的設計比較靈活，集成度高，成本低，也是目前在IoT設備上應用比較廣泛的一種天線。

不同類型的PCB天線，其輻射方向圖各不相同，下面是倒F天線的仿真方向圖。

4，芯片天線

隨著AiP技術的發(fā)展，天線的集成度也越來越高，甚至可以直接集成在一個電路上甚至芯片上。下圖就是AiP技術的圖示

芯片天線主要應用于毫米波甚至亞毫米波波段，其天線尺寸比較小，利于芯片的封裝和集成。

No.3

物聯網天線的圖例

1， NFC天線

2，Wifi/藍牙/Zigbee 天線圖例

總結

天線的種類很多，對于很多外置天線，我們可以拿來直接用，但是對于集成到設備上的天線，則需要根據設備的結構，天線的尺寸，結構，通過電磁仿真軟件進行仿真設計，以滿足無線設備的需求。