|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 除了智能手機和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)連接的另一個(gè)主要推動(dòng)因素是運輸應用，包括鐵路、卡車(chē)和資產(chǎn)跟蹤。這些應用對系統天線(xiàn)提出了一系列獨特的重要要求，如振動(dòng)、沖擊、極端溫度、雨水、濕度，以及需要在寬頻帶甚至多頻段上工作，同時(shí)提供穩定的性能。 雖然可以設計制造合適的天線(xiàn)，但在幾乎所有具有挑戰性的應用中，采用正確設計、精心制造、具備完整特性的現成標準裝置是最合理的方式。這樣做可以降低成本并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)提高對最終設計的信心水平。 本文將探討與運輸天線(xiàn)設計有關(guān)的問(wèn)題。然后介紹 TE Connectivity 的兩款多頻段天線(xiàn)，設計用于安裝在外殼表面，包括基本的“盒子”和可能暴露在外的移動(dòng)裝置。 應用推動(dòng)實(shí)施 天線(xiàn)是電子電路與自由空間電磁 (EM) 場(chǎng)之間的重要轉換器，因此往往是設計中暴露最多的元素。然而，它必須采用與整體系統設計兼容的外形尺寸，在惡劣環(huán)境條件下也能提供所需的電氣和 RF 性能。 對于貨運系統，特別是高速客運鐵路，天線(xiàn)還必須能輕松集成到空氣動(dòng)力學(xué)的外殼中，既具有最小的風(fēng)阻，又能不受惡劣環(huán)境的影響（圖 1）。類(lèi)似限制也適用于資產(chǎn)追蹤的情況，在這種情況下，天線(xiàn)必須暴露在外以接收全球導航衛星系統 (GNSS) 的信號。 
圖 1：現在，火車(chē)等移動(dòng)高速裝置因風(fēng)阻和惡劣的環(huán)境而面臨嚴峻的挑戰，因為需要能夠利用各種標準和頻段的移動(dòng)連接能力。（圖片來(lái)源：TE Connectivity） 理想的天線(xiàn)是對應用特定特性的精心組合，這些特性包括所需的輻射模式、適當的阻抗匹配、低電壓駐波比 (VSWR)、機械完整性、外殼適用性和電氣連接便利性。許多情況下，還需要通過(guò)使用帶有集成低噪聲放大器 (LNA) 的有源天線(xiàn)來(lái)增強信號路徑并使前端信噪比 (SNR) 最大化。 與所有元器件一樣，幾乎所有天線(xiàn)的設計和安裝都需要考慮一些極為關(guān)鍵的參數，以及其他一些在特定情況下比較關(guān)鍵的參數。就天線(xiàn)而言，輻射模式和特定頻段下的性能是關(guān)鍵考慮因素。 天線(xiàn)實(shí)施原則 對于運輸和資產(chǎn)跟蹤應用，由于方向的隨機變化，天線(xiàn)的定向是一大挑戰，因此在整個(gè)指定頻段內的俯視和側視方向上具有一致的全向模式非常重要。 例如，TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線(xiàn)設計用于 698 至 960 兆赫 (MHz) 和 1710 至 3800 MHz 頻段，適用于 2G、3G、4G、蜂窩、GSM 和 LTE 應用（圖 2）。單天線(xiàn)之所以能有效滿(mǎn)足這一系列標準，是因為它與所傳遞的特定信號格式或所支持的標準無(wú)關(guān)；其設計主要由頻率、帶寬和功率決定。
圖 2：TE Connectivity 1-2309605-1 是一款單模塊產(chǎn)品，包括兩根獨立的天線(xiàn)，一根用于 698 至 960MHz 頻段，另一根用于 1710 至 3800 MHz 頻段。（圖片來(lái)源：TE Connectivity） 請注意，“雙”天線(xiàn)不同于“雙頻”天線(xiàn)。雙天線(xiàn)，如 1-2309605-1，在一個(gè)殼體內有兩根獨立天線(xiàn)，每根天線(xiàn)都有自己的饋電；雙頻天線(xiàn)是有一個(gè)饋電的單天線(xiàn)，設計支持兩個(gè)（或更多）頻段。 下面是 1-2309605-1 的低頻天線(xiàn)，其俯視和側視方向的輻射模式在整個(gè)帶寬內是均勻的，從 700 MHz 左右的低頻端，一直延伸到 900 MHz 左右的高頻端（圖 3）。
圖 3：1-2309605-1 在 700、800 和 900 MHz 下的側視（左）和俯視（右）增益圖（分別為上行、中行、下行）顯示出相當均勻的輻射模式。（圖片來(lái)源資料：TE Connectivity） 在 700 MHz（頻段低端）下，相對于全向天線(xiàn)的增益分貝 (dBi)——表示天線(xiàn)指向性的標準指標——只有 1.5 dBi，表明輻射模式相當均勻。這種統一性和均勻性有助于實(shí)現一致的性能，無(wú)論天線(xiàn)方向如何。此外，900 MHz 高頻端的輻射模式同樣相當均勻，增益僅為 4.5 dBi。 另一個(gè)重要的天線(xiàn)參數是 VSWR，其正式定義為最高電壓與最低電壓之比，或無(wú)損傳輸線(xiàn)上傳輸和反射電壓駐波之比。理想情況下，VSWR 是 1:1。雖然這通常很難實(shí)現，但工作在低個(gè)位數的 VSWR 下通常是可接受的做法。 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線(xiàn)可以處理高達 20 瓦的發(fā)射功率，用 3 米 (m) 的 RG174 電纜測量時(shí)，一端的最大 VSWR 為 3:1，而在其大部分工作頻段則接近 1.5:1（圖 4）。一般來(lái)說(shuō)，這對許多目標應用而言已足夠低。
圖 4：用 3 米長(cháng)的 RG174 電纜測得 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線(xiàn)的 VSWR （垂直軸）在整個(gè)有源頻率范圍內顯示為低值（x 軸）。（圖片來(lái)源：TE Connectivity） 圖 4 中，綠色是低頻元件 #1，紅色是高頻元件 #2，黑色是自由空間中的元件 #1 和 #2，而藍色是 400×400 毫米 (mm) 接地平面上的元件 #1 和 #2。 共址天線(xiàn) 為了覆蓋多個(gè)頻段，可以將兩根或多根單獨的天線(xiàn)放在一起。但這會(huì )導致幾個(gè)潛在的問(wèn)題。首先，一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是需要面板或其他表面空間和安裝件，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生相關(guān)的安裝成本。其次，天線(xiàn)之間的電磁相互作用恐會(huì )影響其模式和性能；這限制了天線(xiàn)相互之間的放置方式。這種相互作用以天線(xiàn)隔離度來(lái)衡量，其定義為一個(gè)天線(xiàn)從另一個(gè)天線(xiàn)接收輻射的程度。 解決這一難題的辦法是使用單天線(xiàn)單元，將多根天線(xiàn)組合在一個(gè)殼體或外殼內。從機械角度，這樣可減小整體尺寸，簡(jiǎn)化安裝和天線(xiàn)電纜的布線(xiàn)，并呈現出流線(xiàn)型外觀(guān)。 從電氣角度，這意味著(zhù)可以事先測量和指定天線(xiàn)之間的隔離度，最大限度地減少意外或不可預見(jiàn)的相互作用問(wèn)題。對于 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線(xiàn)，隔離度至少為 15 dB，并朝向該單元所服務(wù)的兩個(gè)頻段的中心逐漸增加（圖 5）。
圖 5：2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線(xiàn)模塊內的兩根天線(xiàn)之間的隔離度（y 軸，dB）為 15 dB 或更高，測量值為頻率（x 軸，MHz）的函數。（圖片來(lái)源：TE Connectivity） 有源接收天線(xiàn)功能 除了 1-2309605-1 雙天線(xiàn)所覆蓋的兩個(gè)頻段外，許多應用，如資產(chǎn)跟蹤，還需要接收來(lái)自 GPS（美國）、伽利略（歐洲）和北斗（中國）GNSS 系統的信號以獲得位置或時(shí)間信息。為了簡(jiǎn)化這一任務(wù)，避免需要另一根外部分立天線(xiàn)，TE 提供了 1-2309646-1。這款產(chǎn)品在雙天線(xiàn)單元的兩根天線(xiàn)之外增加了第三根天線(xiàn)，僅用于接收 1562 至 1612 MHz 之間的 GNSS 信號。 然而，接收 GNSS 信號的需求為系統設計者帶來(lái)了另一個(gè)挑戰，即發(fā)射與接收功能的基本要求。用于發(fā)射時(shí)，天線(xiàn)及其饋線(xiàn)處于確定狀態(tài)。它們從發(fā)射器功率放大器 (PA) 中獲取已知、受控且定義明確的信號，并將其輻射出去。幾乎不用擔心該信號的內部噪聲、頻段內干擾或 PA 和天線(xiàn)之間的頻外信號。 由于適用于所有天線(xiàn)的互易原理，用于發(fā)射的物理天線(xiàn)同時(shí)也可用于接收。然而，接收的工作條件與發(fā)射的工作條件存在很大差異。由于天線(xiàn)是在存在頻內甚至頻外干擾和噪聲的未知情況下試圖捕捉信號，因此所需的接收信號會(huì )有許多隨機特性，而缺乏確定性。 此外，接收到的信號強度較低（在幾微伏到幾毫伏之間），SNR 也較低。對于 GNSS 信號，相對于一毫瓦 (dBm)，接收到的信號功率通常在 -127 到 -25 dB 之間，SNR 通常在 10 到 20 dB 之間。由于天線(xiàn)和接收機前端之間的電纜損耗，這個(gè)微弱的信號會(huì )被衰減，而且 SNR 也會(huì )因傳輸電纜中不可避免的熱噪聲和其他噪聲而降低。 鑒于上述原因，1-2309646-1 在其第三根僅接收信號的 GNSS 天線(xiàn)中整合了 LNA 功能。LNA 為 GNSS 信號提供 42 dB 的增益，從而大幅提升接收信號的強度。為簡(jiǎn)化使用，LNA 采用成熟的疊加技術(shù)，通過(guò)傳輸放大 RF 信號的同軸電纜來(lái)供電（3 至 5 伏 DC，不超過(guò) 20 毫安 (mA)）。 直流電通過(guò)接收器單元和 LNB 之間的電纜供應（圖 6）。LNA (V1) 的直流電被小型串聯(lián)電容器（C1 和 C2）阻斷，使其無(wú)法到達無(wú)線(xiàn)電頭單元（前端）。這些電容器允許來(lái)自天線(xiàn) (ANT1) 的放大 RF 信號傳遞到無(wú)線(xiàn)電頭單元 (OUT)。同時(shí)，放大的 RF 信號被串聯(lián)電感器（扼流圈）L1 和 L2 阻斷，無(wú)法返回電源 V1。這樣一來(lái)，LNA 的直流供電以及從 LNA 到無(wú)線(xiàn)電頭單元的放大 RF 可以共用同一根互連同軸電纜。
圖 6：通過(guò)巧妙布置電感器和電容器，將直流電和 RF 信號分離并隔離在兩端，可以將天線(xiàn) LNA 的直流供電疊加在承載天線(xiàn)/LNA 輸出的電纜上。（圖片來(lái)源：Electronics Stack Exchange） 建立物理連接 任何天線(xiàn)或天線(xiàn)元件組件都需要以可靠、方便且電氣和機械安全的方式，與所服務(wù)的無(wú)線(xiàn)電前端連接和斷開(kāi)。此外，整個(gè)天線(xiàn)組件需要受到保護，不受環(huán)境影響，并且易于安裝，對安裝表面的影響最小。 為了實(shí)現這些目標，雙頻 1-2309605-1 和三頻 1-2309646-1 的每個(gè)頻段都配備了一根 3 米長(cháng)的 RG-174 同軸電纜，端部采用標準 SMA 插頭（圖 7）。因此，連接或斷開(kāi)一根或多根天線(xiàn)很簡(jiǎn)單，不僅可以很容易地在工廠(chǎng)系統組裝過(guò)程中完成，也可以在現場(chǎng)作為附加組件完成。
圖 7：1-2309605-1 和 1-2309646-1 內的每根天線(xiàn)都有自己的 RG-174 同軸電纜，帶 SMA 插頭端接，可簡(jiǎn)化安裝、連接、測試和需要時(shí)的拆卸作業(yè)。（圖片來(lái)源：TE Connectivity） 此外，通過(guò)使用單一的內部 18 毫米的安裝桿，加上天線(xiàn)外殼底部邊緣的丙烯酸膠墊，多天線(xiàn)模塊可以輕松固定在系統表面。天線(xiàn)安裝快速，安裝件不會(huì )暴露在外造成生銹、松動(dòng)或錯誤扭緊。 這些天線(xiàn)的外殼針對移動(dòng)、高速運動(dòng)應用進(jìn)行了優(yōu)化。該流線(xiàn)型裝置只有 45 mm 寬，150 mm 長(cháng)，且具有圓形邊緣（類(lèi)似于汽車(chē)車(chē)頂的“鯊魚(yú)鰭”），以最大限度地降低阻力系數和風(fēng)阻。此外，外殼采用紫外線(xiàn)穩定材料，可確保暴露在陽(yáng)光下不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而削弱外殼的性能。 結語(yǔ) 用于運輸應用的移動(dòng)、高速、多頻段無(wú)線(xiàn)連接需要能夠滿(mǎn)足嚴苛電氣、環(huán)境和機械目標的天線(xiàn)組件。TE Connectivity 的雙天線(xiàn)和三天線(xiàn)模塊提供低頻段、高頻段和可選 GNSS 頻段天線(xiàn)，后者還帶有內部 LNA。這些產(chǎn)品為每根天線(xiàn)配備了單獨的同軸電纜和連接器，并采用簡(jiǎn)單的表面或面板安裝布局，安裝簡(jiǎn)單并提供關(guān)鍵的環(huán)境耐用性。 |
