原创 物联网行业中的天线定制设计流程

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物联网天线设计步骤介绍

物联网（IoT）天线设计是一个复杂且多步骤的过程，通常包括以下几个关键步骤：

根据电磁波传输理论，计算对应频率天线的电气尺寸。这一步骤是天线设计的基础，需要考虑天线的工作频率、所需带宽以及预期的性能指标（如增益、辐射效率等）。

使用专业软件进行天线设计仿真。通过仿真可以计算天线的电气参数，如阻抗、增益、方向图等，并验证设计是否满足预期的性能要求。

根据仿真设计输出的天线尺寸和材料要求，制作样品。这一步骤通常在专业的制造平台上进行，如嘉立创平台，以确保样品的尺寸和材料符合设计要求。

最后一步是对样品进行实验室测试，以验证其实际性能是否符合设计预期。测试内容包括网络分析仪测试S11参数和辐射参数等。通过这些测试，可以进一步优化天线设计，确保其在实际应用中的性能。

此外，物联网天线设计还需要考虑以下几点：

• 定制化需求：根据具体的应用场景和设计约束，可能需要对天线的尺寸、形状或电气特性进行调整。
• 集成性：天线设计应尽早纳入整体设计流程中，以确保其与设备其他组件的兼容性和最佳性能。
• 选型标准：在设计过程中，需要考虑回波损耗、带宽、辐射效率、辐射图型和增益等关键参数。

通过以上步骤和注意事项，可以设计出满足特定需求的高效物联网天线。

以WiFi内置PCB天线为例，详细展开以上个各步骤，如下：
天线，是电磁波接收发射设备，起到电场转磁场、磁场转电场的作用。传输信号，但不能放大信号！
天线的电气尺寸，与波长相比拟。通常偶极子天线的两臂长度尺寸约等于λ/4。多数其他形式的天线都是偶极子天线的变型。

02

理论计算：

根据电磁波传输理论，计算对应频率天线的电气尺寸；
某种频率的电磁波在介质里的传输波长，计算公式为：
λ=C/f , λ为波长，f为频率，C为介质中的传播速度
其中C=C0/√εr C0为电磁波在真空中的传播速度，等于光速；εr为介质的相对介电常数；

WiFi的频率为2.4~2.483 GHz,介质为PCB（FR4的相对介电常数为3.6~4.4)，其λ/4的尺寸为：
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计算，但实际工程量产的数值，需要进一步跟PCB板厂确认。根据经验，‘13.9mm’这个值实际中在18~26mm之间。）

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EDA工具仿真

HFSS是专业的射频仿真软件，常用于天线设计；
HFSS仿真软件，可以依据天线的用料及尺寸，计算出对应的天线参数。此案例中，我们定义为天线的形式为PIFA天线，两臂长度在18~26mm选取。通过软件计算最终得出对应的天线尺寸。从而输出到下一步，为天线制样提供物理尺寸。
HFSS仿真软件，大概步骤，建模(选定天线用料及尺寸）、设定计算条件（比如，驱动模式、频率起始、馈电模式、等）、计算及输出结果、（可调参数优化计算）； 具体操作及实现步骤非本文重点，故略之。

本实例，天线的用料及尺寸为，PCB 20x20mm，板厚T=1.0mm； 辐射阵子(PCB铺铜区域)，取为不规格弧形区域，见下图；

仿真后的参数结果为，见图；

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样品制作

依据仿真设计输出天线的尺寸工程图纸，以制作样品；
本实例天线形式为PCB+cable+IPX接头，Cable+IPX接头为标准品，因此主要输出PCB及其线路图(天线辐射臂）。

设计完成后，输出PCB板子GERBER文件，到平台打板PCB样品

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实验室测试

测试实际样品的S11参数、辐射参数
PCB板子到手后，焊接天线，来做实际的物料指标测试；
S11参数测试，对应的仪器为 网络分析仪；
辐射参数(增益、效率、场型图）测试，3D微波暗室测试；

测试结果为

【S11参数】

【辐射参数】

增益 、场型图

该案例完整阐述了IoT物联网天线的设计步骤，以及测试方法、测试环境(设备及仪器)。

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf)

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