作者：Bill Schweber

除了隨處可見的消費(fèi)者智能手機(jī)之外，基于 5G 的無線鏈路還能滿足多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，例如物聯(lián)網(wǎng) （IoT）、機(jī)對(duì)機(jī) （MTM）鏈路、智能電網(wǎng)、自動(dòng)售貨機(jī)、網(wǎng)關(guān)、路由器、安全和遠(yuǎn)程監(jiān)控連接等等。然而，向 5G 的這一轉(zhuǎn)變過程不可能一蹴而就。這就需要在無線通信鏈路的前端使用天線，以滿足5G 以及傳統(tǒng)的 2G、3G 和其他非 5G 鏈路的需求；在未來幾年里，即使 5G 應(yīng)用急劇增加，其他這些鏈路也會(huì)繼續(xù)與之并存。

鑒于這些原因，工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，除了支持 5G標(biāo)準(zhǔn)的頻帶之外，還要兼顧其他頻帶。即使每個(gè)頻帶的內(nèi)置射頻前端或功率放大器是不同的，使用一個(gè)寬帶天線同時(shí)服務(wù)于 5G 和傳統(tǒng)頻帶也有諸多好處。

本文以 Abracon LLC 的說明性單元為代表，探討了服務(wù)于低頻帶 5G頻譜以及傳統(tǒng)頻帶的寬帶天線。文中展示了如何使用這種類型的天線（無論是看得見的外置單元還是內(nèi)置的嵌入式單元）來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和物料清單 （BOM），以及在需要時(shí)加快到5G 的升級(jí)安裝。

從監(jiān)管頻帶開始

天線既是射頻發(fā)射信號(hào)路徑的最后一個(gè)元件，也是互補(bǔ)接收器路徑的第一個(gè)元件。天線的功能是成為兩個(gè)世界之間的變送器，即由電流和電壓構(gòu)成的電路世界與由輻射能量和電磁場(chǎng)構(gòu)成的射頻世界。

針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用選擇天線時(shí)，需要記住的重要一點(diǎn)是，天線的工作方式與要使用的調(diào)制類型或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)。選擇天線時(shí)會(huì)使用一些參數(shù)，如中心頻率、帶寬、增益、額定功率和物理尺寸，但無一取決于天線是會(huì)用于振幅、頻率或相位調(diào)制（AM、FM、PM）信號(hào)，還是3G、4G、5G 甚至專有信號(hào)格式。

當(dāng)然，在新興應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能支持 5G 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)當(dāng)前得到大量的關(guān)注，特別是大多數(shù) 5G 活動(dòng)所在的 6 GHz 以下的 5G頻帶。務(wù)必將系統(tǒng)支持的無線標(biāo)準(zhǔn)與決定天線選擇的頻率和頻譜區(qū)分開來，這一點(diǎn)非常重要。

新的 5G標(biāo)準(zhǔn)不僅使用以前不可用的頻譜段，同時(shí)還通過納入更高級(jí)別的調(diào)制方案來利用已在使用的頻譜部分來獲得更高的吞吐量。因此，雖然行業(yè)和運(yùn)營(yíng)商對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的支持可能會(huì)逐步遭到淘汰（或“沒落”），如2022 年的 3G 標(biāo)準(zhǔn)，但 3G 所用的頻譜部分仍將用于 4G 甚至 5G 標(biāo)準(zhǔn)（圖 1）。

這意味著支持 3G 或 4G 頻帶的天線可能對(duì) 5G依然適用，反之亦然。該標(biāo)準(zhǔn)可能已經(jīng)沒落，但其天線卻不會(huì)沒落，可能具有向前/向后的天線兼容性。在上述每種情況下，重復(fù)使用支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和頻帶的天線都是一種實(shí)用且通常可取的解決方案。

600 MHz 至 6 GHz 射頻頻譜內(nèi)的其他重要標(biāo)準(zhǔn)包括：

公民寬帶無線電服務(wù) （CBRS），介于 3550 MHz 至 3700 MHz 范圍內(nèi)（3.5 GHz 至 3.7 GHz）、寬度為 150 MHz的寬松監(jiān)管頻帶。在美國，聯(lián)邦通信委員會(huì) （FCC） 已指定在三個(gè)層次的用戶之間共享這一服務(wù)：現(xiàn)有用戶、優(yōu)先接入許可證 （PAL） 用戶和一般授權(quán)接入 （GAA）用戶。

LTE-M，這是 LTE Cat-M1（通常稱為 CAT M）或長(zhǎng)期演進(jìn) （4G） 類別 M1的縮寫。利用這項(xiàng)技術(shù)，低占空比的電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無需使用網(wǎng)關(guān)即可直接連接到 4G 網(wǎng)絡(luò)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT） 是一種在 3G 范圍內(nèi)使用正交頻分復(fù)用 （OFDM）的蜂窩級(jí)無線技術(shù)。它是由第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP，蜂窩系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的支持組織）提出的一項(xiàng)計(jì)劃，用以滿足需要連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，而且往往采用電池供電的極低數(shù)據(jù)率設(shè)備的需求。

以下是一條關(guān)于術(shù)語“寬頻”和“多頻”的說明，因?yàn)檫@兩者之間可能存在混淆和歧義。“寬頻”是指天線的帶寬占其中心頻率的相當(dāng)大一部分。雖然這個(gè)數(shù)字并沒有正式的定義，但非正式地講，通常意味著至少為中心頻率20% 至 30% 的帶寬。相比之下，“多頻帶”是指天線的設(shè)計(jì)可以支持監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)所定義的兩個(gè)或更多個(gè)頻帶；這些頻帶可能間距很近，也可能相隔甚遠(yuǎn)。

多頻帶天線的一個(gè)極端例子是可同時(shí)用于廣播 AM（550 至 1550 kHz）和廣播 FM（88 至 108MHz）的天線。多頻帶天線可能但不一定是寬帶天線。

無論其支持的頻帶數(shù)量、間距和帶寬如何，多頻帶天線都只有一個(gè)射頻連接，即使在內(nèi)部它可能是由兩個(gè)或更多個(gè)不同的組合天線構(gòu)成。與較簡(jiǎn)單的寬帶天線不同，多頻帶天線的設(shè)計(jì)實(shí)際可能會(huì)在整個(gè)帶寬的增益覆蓋上故意留出間隙，以最大限度減少同道干擾。

內(nèi)置還是外置天線

天線所用的無線連接標(biāo)準(zhǔn)并非天線設(shè)計(jì)的問題，但頻率和帶寬讓天線的物理實(shí)現(xiàn)成為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)決策，因此也是絕對(duì)需要考慮的因素。其中一項(xiàng)主要的設(shè)計(jì)考慮是，使用外置天線還是嵌入到最終產(chǎn)品的內(nèi)置天線。

內(nèi)置天線具有以下屬性：

它們使封裝更加時(shí)尚，沒有可能造成斷裂或鉤掛的外部附件

嵌入式天線始終保持連接且可用的狀態(tài)

它們?cè)诟采w范圍、能效、輻射模式和其他性能標(biāo)準(zhǔn)方面存在固有的限制

嵌入式天線的性能將會(huì)受到相鄰電路的影響，因此它的放置與電路板的尺寸、布局、元件和整體布置密切相關(guān)

用戶的手或身體可能會(huì)引起天線模式、效能和性能的變化

相比之下，外置天線則具有以下特征：

它們?cè)谳椛淠Ｊ健捄驮鲆娴亩ㄖ品矫鎿碛懈嗟臐摿Γ驗(yàn)樗鼈兙哂懈蟮脑O(shè)計(jì)自由度

它們不必連接到物聯(lián)網(wǎng)/射頻單元上，并可以通過使用同軸電纜保持適當(dāng)?shù)木嚯x，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)定位

它們受產(chǎn)品設(shè)計(jì)和封裝的電氣方面影響較小，或者根本不受其影響

它們有多種風(fēng)格和配置可供選擇

它們需要一個(gè)連接器或電纜進(jìn)行連接，而這可能成為一個(gè)故障點(diǎn)

選擇外置天線還是內(nèi)置天線，通常是根據(jù)多個(gè)因素決定的。其中包括最終產(chǎn)品的應(yīng)用和用戶偏好、與性能的平衡，以及天線將用于移動(dòng)還是固定場(chǎng)景。例如，帶有外置天線的智能手機(jī)可能被認(rèn)為是拙劣的設(shè)計(jì)。相比之下，固定位置的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)搭配外置且距離可能稍遠(yuǎn)的天線，有可能提供更好、更穩(wěn)定的連接。

多頻帶天線的好處

多頻帶天線可以滿足現(xiàn)有的應(yīng)用需求，同時(shí)也為面向未來的升級(jí)設(shè)計(jì)（包括 5G連接）提供了保障。但是，如果安裝參數(shù)和具體細(xì)節(jié)都是已知的，為什么還要考慮這樣的天線呢？下面是幾個(gè)很好的理由：

可以將一根天線用于面向不同頻帶的一系列產(chǎn)品，因而簡(jiǎn)化了庫存管理和采購

內(nèi)置的多頻帶天線可實(shí)現(xiàn)更小的封裝，而外置的天線則減少了產(chǎn)品外殼上的天線連接器數(shù)量

多頻帶天線可以為有可能或預(yù)期會(huì)升級(jí)至新頻帶（例如 5G）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供服務(wù)，不論升級(jí)是由于性能原因，還是由于現(xiàn)有頻帶和標(biāo)準(zhǔn)的廢止所致

適用于多個(gè)頻帶的單一外置天線保持了安裝技術(shù)和工具的通用性

對(duì)于關(guān)鍵的固定應(yīng)用，尤其是移動(dòng)應(yīng)用，設(shè)備的射頻部分可以提供雙頻支持，允許設(shè)備在不同的頻帶之間動(dòng)態(tài)切換，從而在給定的地點(diǎn)或環(huán)境獲得最佳性能

設(shè)計(jì)人員可以在不相關(guān)的設(shè)備中使用單個(gè)內(nèi)置的多頻帶天線，并憑借他們的經(jīng)驗(yàn)在天線建模、放置和可能的生產(chǎn)問題方面獲得效益

真實(shí)的多頻帶天線示例

盡管寬帶性能各異，但多頻帶天線在外形尺寸或端接類型方面并無限制，以下三個(gè)示例說明了這一點(diǎn)。

AEBC1101X-S 是一款 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線，其長(zhǎng)度為 115 mm，最大直徑為 19 mm，設(shè)計(jì)為在 600 MHz 至 6 GHz范圍內(nèi)工作（圖 2）。它配備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的公頭 SMA 連接器，可以旋轉(zhuǎn) 90° 以便直接安裝在產(chǎn)品外殼上（也可以與同軸延長(zhǎng)電纜搭配使用）；還可以使用反極性 SMA連接器。

其電壓駐波比 （VSWR） 和峰值增益性能在整個(gè)頻帶上相當(dāng)穩(wěn)定，但在低頻和高頻范圍之間存在能效變化（圖 3）。

整個(gè)頻帶上的輻射模式近乎圓形，其中 3600 MHz 頻率下出現(xiàn)了一些小波瓣，這在 5600 MHz 頻率下變得更明顯一些（圖 4）。

AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 刀片天線也適用于 600 MHz 至 6 GHz 的工作頻率，其尺寸為115.6 mm 長(zhǎng) × 21.7 mm 寬，具有厚度僅為 5.8 mm 的纖薄外形（圖 5）。該天線適合在平坦的表面使用膠帶進(jìn)行簡(jiǎn)易、便捷的安裝。

該天線的射頻性能與 AEBC1101X-S 相似，最大 VSWR 低于 3.5，但峰值增益為 2 分貝，略低于全向輻射器 （dBi）。X-Y 和 X-Z平面的輻射模式也更加復(fù)雜（圖 6）

AEBC1101X-S 和 AECB1102XS-3000S 之間的一個(gè)顯著差別是可用的端接。AECB1102XS-3000S 刀片單元標(biāo)配 1 m 長(zhǎng)的LMR-100 同軸電纜（取代了 RG174 和 RG316 電纜類型），并端接廣泛使用的公頭 SMA 連接器。不過，幾乎任何長(zhǎng)度的電纜均可以進(jìn)行訂購，而且SMA 之外的其他連接器類型也能作為標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)提供，以實(shí)現(xiàn)靈活的連接（圖 7）。

ACR4006X 600 至 6000 MHz 寬帶陶瓷貼片天線是一種尺寸僅為 40 × 6 × 5 mm的表面貼裝器件。在工作時(shí)，它需要一個(gè)微型電感器-電容器 （LC） 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè) 8.2 nH 的電感器和一個(gè) 3.9 pF 的電容器（均為0402 尺寸）構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)所需的 50 Ω 阻抗（圖 8）。

ACR4006X 的規(guī)格書顯示，它是一個(gè) 600 至 6000 MHz 的器件，但請(qǐng)注意，其能效、峰值增益和平均增益圖具有一些間隙（圖 9）。這是有意為之的，因?yàn)檫@種多頻帶天線是針對(duì)該范圍內(nèi)的三個(gè)特定頻帶（600 至 960 MHz、1710 至 2690 MHz 和 3300 至 6000 MHz）而設(shè)計(jì)并進(jìn)行了性能優(yōu)化，以支持 3G、4G 和 5G 分配，以及一些更小的頻譜分配。

由于 ACR4006X 不適用于 GPS 接收器，因此其在 GPS 載波頻率 1575.42 MHz（L1 載波）和 1227.6 MHz（L2載波）沒有指定的性能。

ACR4006X 的 X-Y 輻射模式也是頻率的函數(shù)，但它在整個(gè)寬頻帶內(nèi)仍然保持大致的圓形，只有在低頻率范圍的 90° 和 270°有一些適度的增益下降（圖 10）。

評(píng)估天線的性能從規(guī)格書開始，隨后通常使用消聲室進(jìn)行確認(rèn)，最后使用最終產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。影響外置天線實(shí)際性能的因素包括外殼、移動(dòng)設(shè)備的用戶身體和手，以及天線的位置和放置。它在很大程度上與產(chǎn)品的內(nèi)部電路板布局無關(guān)。

相反，像 ACR4006X 片式天線這樣的內(nèi)置單元的性能則會(huì)受到相鄰元件和 pc 板的影響。為此，Abracon 提供了 ACR4006X-EVB評(píng)估板，作為加快該片式天線工程評(píng)估的手段。

該評(píng)估板與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 （VNA） 結(jié)合使用。在對(duì)配置進(jìn)行初始校準(zhǔn)后（這是大多數(shù) VNA 測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)步驟），通過 VNA 經(jīng)校準(zhǔn)的端口，使用板上的SMA 連接器來評(píng)估天線性能。

該評(píng)估板具有精確的 120 × 45 mm 尺寸，以方便正確地放置片式天線。它包括天線周圍必要的 45 × 13 mm金屬/接地間隙區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)正常操作（圖 11）。

結(jié)語

多頻帶天線可化解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備面臨的諸多挑戰(zhàn)，特別是那些當(dāng)前需要支持單一頻帶，同時(shí)還要針對(duì) 5G
等更新標(biāo)準(zhǔn)提供更順暢的升級(jí)途徑的設(shè)備。這些天線還讓系統(tǒng)能夠支持多個(gè)頻帶，以優(yōu)化在單一頻帶無法保證連接的區(qū)域的性能。如圖所示，安裝在電路板上的 Abracon內(nèi)置天線可實(shí)現(xiàn)更時(shí)尚的封裝，而其使用整體式射頻連接器或同軸電纜附件的外置天線則提供了靈活的放置，可實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)路徑。