天线在物联网产品开发中的重要性

物联网产品天线的重要性怎么强调都不为过。它是与外界的接口。本文讨论了为什么天线很重要,以及天线性能如何影响客户对产品的感知,从而影响产品的成功。

首先,我们将讨论有关天线的基本理论,然后讨论设计师可能用于改善通信的策略,并说明良好的天线设计是最有效的选择。最后,举例说明天线设计选择如何对无线或物联网产品的成功产生重大影响。

理论

天线是将射频能量从发射机传送到接收机的系统的一部分。该系统包括发射机、向天线馈送射频能量的方法、天线本身、从发射天线到接收天线的信号传播路径、接收天线、将射频馈送给接收机的装置和接收机本身。

为了使该系统正常工作,必须有足够的信号电平到达接收器,以使传输能够成功解码。构成“足够”信号电平的因素取决于接收器的噪声电平,因此该电平表示为以分贝(dB)为单位的信噪比(SNR)。噪声就是任何不需要的信号,例如其他电子设备产生的干扰。增益和损失用分贝表示。发射和接收的功率水平通常以1毫瓦的水平为基准,并表示为dBm。

我们可以使用如下公式来计算整个系统的性能(简化示例,使用标准缩写Tx和Rx表示发送器和接收器):

Rx power (dBm) = Tx power (dBm) – Tx feed loss (dB) + Tx antenna gain (dB) – propagation loss (dB) + Rx antenna gain (dB) – Rx feed loss (dB)

此等式称为链接预算。我们可以计算接收器接收到的信号,并将其与噪声水平进行比较,得出SNR。如果SNR足够高,则信号将被成功解码。

改善无线通信的可能策略

根据此等式,很明显,我们希望最大化对接收信号有积极影响的因素(Tx功率,Tx天线增益和Rx天线增益),并最小化不利因素(Tx馈电损耗、传播损耗和Rx馈电损耗)。我们还希望尽量减少接收机的噪声,以提高信噪比。

发射机的功率可以增加,但没有一个发射机是100%有效的(浪费的功率以热量的形式消散),而功率翻倍只相当于增加3dB。大多数项目缺乏电池容量和散热能力,无法实现高发射功率。

作为RF工程师,我们对环境噪声几乎无能为力,但是我们可以确保Rx天线的位置能够最大程度地接收有用信号,并最大程度地减少产品其他部分的噪声接收。

传播损耗取决于Tx和Rx天线之间的距离以及信号必须通过的路径。与金属、混凝土或人相比,信号更容易在露天传播。我们必须考虑产品中的任何东西或产品的使用方式是否会损害信号的传播。

天线实际辐射的射频能量的比例取决于它是否正确地调谐到所使用的频率。如果天线没有正确调谐,发射功率的一部分会反射回发射机,而不是由天线辐射出去。

天线必须设计为在所需频率下高效地工作,设计师应注意不要将天线定位在这样的位置上,以免天线因产品外壳、部件或用户身体(如手持设备中的客户手)而失谐。

最简单的(理论上)天线是各向同性辐射器。它向各个方向发出均匀的信号,就像一个膨胀的球体。这就是所谓的天线“模式”。无论产品或天线的方向如何,接收器都会接收到相同的信号。

然而,没有实际的天线是真正的各向同性。它们在某些方向上都比其他方向发射更多的信号。有时这是可取的,并且会产生更大的收益,例如,如果产品是固定在一个地点。但是,如果可穿戴、手持或移动产品上的天线呈现出非统一的模式(意味着信号在某些方向上比其他方向发射得更多),那么当产品在某些方向上时,就存在通信丢失的风险。

无线或物联网产品中天线设计的重要性

正确的天线设计、测试和集成的重要性应该显而易见。经过精心设计和测试的天线可通过以下方式为产品的成功做出贡献:

1)增加辐射信号而不消耗额外电池电量的增益(在适当的情况下,例如固定产品);

2)确保在各个方向(对于可穿戴设备,手持设备和IoT产品)的信号传播相对一致,从而不会由于移动而丢失通信;

3)最大限度地提高信号电平,同时通过最佳位置最大限度地减少噪声的接收(特别是为了最大限度地减少来自产品中其他部件的噪声接收,避免产品或外壳的信号屏蔽,并确保天线不失谐)。

请注意,每次通信都涉及两个天线,Tx天线和Rx天线。因此,产品天线性能的任何改进都会使接收信噪比提高两倍。

改善Rx功率,从而改善SNR,将改善数据速率,扩大范围,增强安全性,并全面改善用户体验。这些因素不仅可以提高客户满意度,而且还提高了产品在评审和产品选择过程中的直接测试的性能。

我们不能依赖参考实现中的天线设计。这种设计没有考虑到产品的具体因素,如外壳和部件布局。参考设计旨在提供指导,而不是优化的客户解决方案。它们可能在测试台上工作,但在竞争激烈的市场中,这是不够的,因为无线/IoT产品依赖于有效的通信来实现客户满意度,并最终获得成功。

实例探究

2010年,一家知名智能手机制造商发布了一款新产品,该产品的天线设计存在缺陷。如果以某种方式握手机,顾客的手或手指距离会使2.4GHz的WiFi信号减弱。

发生这种情况是因为2.4GHz信号被水吸收,并且人体中的水分超过50%。尽管此问题在以后的型号中已解决,但该问题造成了严重的声誉损失,并促使客户避免使用该产品。它是完全可以预防的,应该在模拟或测试阶段进行识别。

2019年,另一家智能手机和平板电脑制造商发布了一款产品,该产品在特定方位时会出现2.4GHz WiFi性能问题。此问题可能是由于客户手的放置位置、天线辐射方向不均匀或两个问题的组合造成的。这个问题在媒体和产品评论中得到了广泛的报道,给制造商造成了声誉损害。

得益于适当的天线设计,测试和集成,全球各地的行业都在成功构建物联网产品,并不断取得成功。

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