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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 在工業(yè)、消費和醫(yī)療設(shè)備中的持續(xù)普及，再加上新興的智慧城市和智慧建筑，正在推動著低功率廣域 (LPWA) 無線網(wǎng)絡(luò)使用量的迅速增長。這種情況在美國 915 MHz 、歐洲的 868 MHz 和 169 MHz、亞洲的 433 MHz 的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 射頻 (RF) 頻段尤其如此，這些頻段支持 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 等無線協(xié)議。 LPWA 設(shè)備在不斷縮小，并且需要價格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的天線。天線地平面問題在 868 MHz 和 915MHz ISM 頻段可能會特別麻煩。這些問題可通過使用外加電路、提高設(shè)備集成度和更精確的頻率調(diào)諧來解決，但所有這些措施都會延長開發(fā)時間、增加成本。設(shè)計者需要能最大限度地減少地平面問題的天線。此外，LPWA 設(shè)備通常采用電池供電，需要具有最高的能源效率。天線的選型和集成是高效設(shè)計的一個關(guān)鍵。不太理想的天線解決方案會減少電池壽命，導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能低劣。 優(yōu)化鏈路預(yù)算是實現(xiàn)可靠、高效的無線通信接口的關(guān)鍵。天線的選型和集成對鏈路預(yù)算有很大影響。但是，設(shè)計或選擇一款既具有高效率、高性能，又能解決鏈路預(yù)算和地平面問題的天線是一個復(fù)雜的過程。影響鏈路預(yù)算的天線規(guī)格包括阻抗、回波損耗、電壓駐波比、增益、輻射模式等。確定一款易于集成、外形緊湊、性能優(yōu)異且能最大限度地減少地平面問題的天線，可以極大地減少工程時間，提高系統(tǒng)整體性能。 本文將描述一款基本的鏈路預(yù)算模型，回顧影響鏈路預(yù)算的關(guān)鍵天線規(guī)格，并介紹 Molex 的天線實例，這些天線可以克服地平面問題，有助于優(yōu)化 LPWA 設(shè)備的鏈路預(yù)算。 基本鏈接預(yù)算 無線系統(tǒng)中的鏈路預(yù)算用于測量達(dá)接收器的有效射頻能量。在該公式中，以分貝米 (dBm) 為單位的發(fā)射功率與以分貝 (dB) 為單位的任何增益相加，然后減去同樣以 dB 為單位的損失，得出以 dBm 為單位的接收功率。在實際設(shè)計中，造成增益和損失的因素有許多。 更深入地研究鏈路預(yù)算 在鏈路預(yù)算中，影響增益和損耗的唯一因素是天線性能。天線效率、增益和輻射模式是天線性能的三個重要方面，通常在無線 (OTA) 暗室中進(jìn)行測量（圖 1）。其他可能影響鏈路預(yù)算的因素是回波損耗 （S11 參數(shù)）和電壓駐波比 (VSWR)。 
圖 1：使用 OTA 暗室測量天線效率、增益和輻射模式。（圖中的 DUT 表示被測設(shè)備）（Molex 提供圖片） 天線效率決定了天線的發(fā)射率。人們經(jīng)常使用平均效率，但效率不單單是一個數(shù)字。這是一條可以在某種程度上平坦的曲線，具體取決于所考慮的具體天線（圖 2）。相比具有更高峰值效率曲線的天線，效率曲線較平坦的天線的最大效率通常較低。
圖 2：天線效率曲線可能會大不相同：左邊的天線效率曲線比較平坦，右邊的天線在 915MHz 時的峰值效率要高 10% 左右。（Molex 提供圖片） 與效率一樣，天線增益可用平均值或峰值/最大值來衡量。在給定頻率下，平均增益是在三維空間的所有角度下測量的，而最大增益是一個單一的工作點。一般來說，平均增益越高越好。 天線輻射模式是增益的一個重要決定因素。在所有方向上輻射相同能量的理論天線被稱為各向同性輻射器，其增益為 0dB（單位增益）。真正的天線，即使是所謂的全向設(shè)計，也存在非各向同性的輻射模式，且在三維平面上測量時可能會或多或少存在方向性（圖 3）。增益為 3dB 的天線在某一方向上的效果是各向同性輻射器的兩倍。它使發(fā)射器功率或接收器靈敏度在該特定方向上增加一倍。
圖 3：不同天線設(shè)計的輻射模式也不同，輻射模式在鏈路預(yù)算的計算中可能很重要。這兩種天線都被規(guī)定為具有全向輻射模式。（Molex 提供圖片） 天線設(shè)計和周圍環(huán)境影響輻射模式。數(shù)據(jù)表中的典型測量值在自由空間環(huán)境且周圍無干擾的條件下測得。在實際實施中，相對于各向同性 (dBi) 而言，峰值增益將減少 1 至 2 分貝，因為輻射模式會隨著周圍元件的不同而改變。 回波損耗 (S11) 和電壓駐波比 (VSWR) 是從天線反射回射頻電路的能量的相關(guān)測量值，越小越好（圖 4）。S11 ≤ -6 dB 或 VSWR ≤ 3 通常被認(rèn)為是可接受的最小性能水平。如果 S11 = 0 dB，那么所有的功率都被反射了，沒有發(fā)生輻射。或者，如果 S11 = -10 dB，當(dāng)將 3 dB 功率發(fā)送到天線時，反射功率為 -7 dB。天線使用的是剩余功率。
圖 4：高效率天線（右）在 915MHz 時的回波損耗約為 -14 dB，而效率曲線較平的低效率天線在 915 MHz 時的回波損耗約為 -10 dB。（Molex 提供圖片） VSWR 是反射系數(shù)的函數(shù)。與回波損耗一樣，駐波比越小意味著天線性能越好。駐波比的最小值是 1.0，即天線沒有反射功率。可采用阻抗匹配法來最小化 S11 和 VSWR。阻抗匹配會涉及修改天線和射頻電路之間的傳輸線，以提高最大傳輸能量。阻抗不匹配會導(dǎo)致部分射頻功率無法被天線吸收。如果傳輸線阻抗和天線阻抗之間實現(xiàn)了精確匹配，則天線會吸收全部射頻功率。 有些天線的阻抗為 50 Ω，不需要匹配網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)天線需要在傳輸線中通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化天線性能。匹配網(wǎng)絡(luò)一般需要支持多頻段的天線。 需要時，可以由電容、電感或電阻的各種組合來組成匹配網(wǎng)絡(luò)。 增強(qiáng)天線性能 基本天線由特定長度的導(dǎo)體組成，而且可以通過增加其它元件來提高其性能。例如 Molex 的 MobliquA™ 技術(shù)天線。這種天線采用了帶寬增強(qiáng)技術(shù)（圖 5）。MobliquA 技術(shù)旨在改善可接受的回波損耗的頻率范圍，通常被稱為“阻抗帶寬”。這項技術(shù)可以在不影響輻射效率或不增加天線尺寸的情況下將阻抗帶寬提高 60% 至 70%。相比傳統(tǒng)設(shè)計，使用 MobliquA 技術(shù)設(shè)計的 868MHz 和 915MHz 頻段 ISM 天線的體積可減少 75%，而且不需要通過昂貴的電路和頻率調(diào)諧來解決地平面依賴性問題。
圖 5：Molex 的 MobliquA 技術(shù)旨在改善阻抗帶寬，對插入天線內(nèi)的金屬物體具有高度抗擾性。（Molex 提供圖片） MobliquA 技術(shù)天線能夠使用射頻去耦或接地部件，如連接器的接地外殼。這種天線對插入天線內(nèi)的金屬部件具有較高的抗干擾能力。獨特的饋送技術(shù)與天線元件的直接接地相結(jié)合，為射頻前端提供了更強(qiáng)的靜電放電 (ESD) 保護(hù)。 天線集成 雖然上文討論的所有電氣規(guī)格都是天線集成的重要方面，但還需考慮機(jī)械連接、天線納入系統(tǒng)方面的問題。這存在多種可能性。例如，一些天線是焊接到系統(tǒng)中的，而其他天線則包括與系統(tǒng)連接所需的同軸電纜和連接器。下面兩節(jié)介紹每種全向天線的一些規(guī)格。 帶同軸電纜和連接器的柔性 ISM 天線 對于需要 868/915 MHz 雙頻 ISM 天線的應(yīng)用，設(shè)計者可以采用 Molex 的 2111400100 型天線（圖 6）。這種單極天線尺寸為 38×10×0.1 mm，采用柔性聚合物材料制成，有一條長 100 mm、外徑為 1.13 mm 的微同軸電纜以及一個兼容 MHF 的 U.FL 連接器。這種天線“即剝即貼”，可以固定在任何非金屬表面。這類天線的射頻功率處理能力為 2 W，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃。該系列還提供 50 mm、150 mm、200mm、250 mm 或 300 mm 電纜長度選擇，還可提供定制長度的天線。
圖 6：這種雙頻 ISM 天線具有撓性，通過“即剝即貼”粘合劑固定在系統(tǒng)中。（Molex 提供圖片） 一些關(guān)鍵規(guī)格如下： · 效率：868 MHz 時 >55%，902 MHz 時 >60%。 · 峰值增益：868 MHz 時為 0.3 dBi，902 MHz 時為 1.0 dBi · 輻射模式：全向 · 回波損耗 (S11)：< -5 dB 高效率陶瓷 ISM 天線焊接在 PCB 上 當(dāng)需要更高的效率時，設(shè)計者可使用專門為 ISM 應(yīng)用設(shè)計的 2081420001 陶瓷天線（圖 7）。不同的匹配網(wǎng)絡(luò)可用于兩個不同的頻段；868 - 870 MHz 和 902 - 928 MHz。其額定工作溫度為 -40℃ 至 +125℃，尺寸為 9 x 3 x 0.63 mm。
圖 7：通過不同的匹配網(wǎng)絡(luò)，這種陶瓷天線可以用于兩個不同的頻段；868 MHz - 870 MHz 和 902 MHz - 928 MHz。（Molex 提供圖片） 一些關(guān)鍵規(guī)格如下： · 效率：868 MHz 時為 70%，902 MHz 時為 65% · 峰值增益：868 MHz 時為 1.5 dBi，902 MHz 時為 1.8 dBi · 輻射模式：全向 · 回波損耗 (S11)：868 MHz 時 <-10，902MHz 時 <-5 結(jié)語 進(jìn)行天線優(yōu)化并將其集成到包括 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的 LPWA ISM 應(yīng)用中，將是一項重要而復(fù)雜的任務(wù)。為了確保良好的無線性能和更長的電池壽命，必須優(yōu)化鏈路預(yù)算。它包括許多電氣運行規(guī)格的權(quán)衡和有效阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。選擇天線時，還必須考慮工作環(huán)境及其機(jī)械和互連要求。 |
