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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 除了隨處可見(jiàn)的消費者智能手機之外，基于 5G 的無(wú)線(xiàn)鏈路還能滿(mǎn)足多樣化的嵌入式應用需求，例如物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、機對機 (MTM) 鏈路、智能電網(wǎng)、自動(dòng)售貨機、網(wǎng)關(guān)、路由器、安全和遠程監控連接等等。然而，向 5G 的這一轉變過(guò)程不可能一蹴而就。這就需要在無(wú)線(xiàn)通信鏈路的前端使用天線(xiàn)，以滿(mǎn)足 5G 以及傳統的 2G、3G 和其他非 5G 鏈路的需求；在未來(lái)幾年里，即使 5G 應用急劇增加，其他這些鏈路也會(huì )繼續與之并存。 鑒于這些原因，工程師在設計產(chǎn)品時(shí)，除了支持 5G 標準的頻帶之外，還要兼顧其他頻帶。即使每個(gè)頻帶的內置射頻前端或功率放大器是不同的，使用一個(gè)寬帶天線(xiàn)同時(shí)服務(wù)于 5G 和傳統頻帶也有諸多好處。 本文以 Abracon LLC 的說(shuō)明性單元為代表，探討了服務(wù)于低頻帶 5G 頻譜以及傳統頻帶的寬帶天線(xiàn)。文中展示了如何使用這種類(lèi)型的天線(xiàn)（無(wú)論是看得見(jiàn)的外置單元還是內置的嵌入式單元）來(lái)簡(jiǎn)化設計和物料清單 (BOM)，以及在需要時(shí)加快到 5G 的升級安裝。 從監管頻帶開(kāi)始 天線(xiàn)既是射頻發(fā)射信號路徑的最后一個(gè)元件，也是互補接收器路徑的第一個(gè)元件。天線(xiàn)的功能是成為兩個(gè)世界之間的變送器，即由電流和電壓構成的電路世界與由輻射能量和電磁場(chǎng)構成的射頻世界。 針對目標應用選擇天線(xiàn)時(shí)，需要記住的重要一點(diǎn)是，天線(xiàn)的工作方式與要使用的調制類(lèi)型或行業(yè)標準無(wú)關(guān)。選擇天線(xiàn)時(shí)會(huì )使用一些參數，如中心頻率、帶寬、增益、額定功率和物理尺寸，但無(wú)一取決于天線(xiàn)是會(huì )用于振幅、頻率或相位調制（AM、FM、PM）信號，還是 3G、4G、5G 甚至專(zhuān)有信號格式。 當然，在新興應用的系統設計中，能支持 5G 標準的設計當前得到大量的關(guān)注，特別是大多數 5G 活動(dòng)所在的 6 GHz 以下的 5G 頻帶。務(wù)必將系統支持的無(wú)線(xiàn)標準與決定天線(xiàn)選擇的頻率和頻譜區分開(kāi)來(lái)，這一點(diǎn)非常重要。 新的 5G 標準不僅使用以前不可用的頻譜段，同時(shí)還通過(guò)納入更高級別的調制方案來(lái)利用已在使用的頻譜部分來(lái)獲得更高的吞吐量。因此，雖然行業(yè)和運營(yíng)商對現有標準的支持可能會(huì )逐步遭到淘汰（或“沒(méi)落”），如 2022 年的 3G 標準，但 3G 所用的頻譜部分仍將用于 4G 甚至 5G 標準（圖 1）。 
圖 1：600 與 6000 MHz 之間的頻率支持多種標準，如 3G、4G 和 5G，并且存在一些頻譜重疊。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 這意味著(zhù)支持 3G 或 4G 頻帶的天線(xiàn)可能對 5G 依然適用，反之亦然。該標準可能已經(jīng)沒(méi)落，但其天線(xiàn)卻不會(huì )沒(méi)落，可能具有向前/向后的天線(xiàn)兼容性。在上述每種情況下，重復使用支持多個(gè)標準和頻帶的天線(xiàn)都是一種實(shí)用且通�？扇〉慕鉀Q方案。 600 MHz 至 6 GHz 射頻頻譜內的其他重要標準包括： · 公民寬帶無(wú)線(xiàn)電服務(wù) (CBRS)，介于 3550 MHz 至 3700 MHz 范圍內（3.5 GHz 至 3.7 GHz）、寬度為 150 MHz 的寬松監管頻帶。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(hù)之間共享這一服務(wù)：現有用戶(hù)、優(yōu)先接入許可證 (PAL) 用戶(hù)和一般授權接入 (GAA) 用戶(hù)。 · LTE-M，這是 LTE Cat-M1（通常稱(chēng)為 CAT M）或長(cháng)期演進(jìn) (4G) 類(lèi)別 M1 的縮寫(xiě)。利用這項技術(shù)，低占空比的電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設備無(wú)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 范圍內使用正交頻分復用 (OFDM) 的蜂窩級無(wú)線(xiàn)技術(shù)。它是由第三代合作伙伴計劃（3GPP，蜂窩系統標準化的支持組織）提出的一項計劃，用以滿(mǎn)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據率設備的需求。 以下是一條關(guān)于術(shù)語(yǔ)“寬頻”和“多頻”的說(shuō)明，因為這兩者之間可能存在混淆和歧義�！皩掝l”是指天線(xiàn)的帶寬占其中心頻率的相當大一部分。雖然這個(gè)數字并沒(méi)有正式的定義，但非正式地講，通常意味著(zhù)至少為中心頻率 20% 至 30% 的帶寬。相比之下，“多頻帶”是指天線(xiàn)的設計可以支持監管標準所定義的兩個(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。 多頻帶天線(xiàn)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 108 MHz）的天線(xiàn)。多頻帶天線(xiàn)可能但不一定是寬帶天線(xiàn)。 無(wú)論其支持的頻帶數量、間距和帶寬如何，多頻帶天線(xiàn)都只有一個(gè)射頻連接，即使在內部它可能是由兩個(gè)或更多個(gè)不同的組合天線(xiàn)構成。與較簡(jiǎn)單的寬帶天線(xiàn)不同，多頻帶天線(xiàn)的設計實(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。 內置還是外置天線(xiàn) 天線(xiàn)所用的無(wú)線(xiàn)連接標準并非天線(xiàn)設計的問(wèn)題，但頻率和帶寬讓天線(xiàn)的物理實(shí)現成為一項重要的設計決策，因此也是絕對需要考慮的因素。其中一項主要的設計考慮是，使用外置天線(xiàn)還是嵌入到最終產(chǎn)品的內置天線(xiàn)。 內置天線(xiàn)具有以下屬性： · 它們使封裝更加時(shí)尚，沒(méi)有可能造成斷裂或鉤掛的外部附件 · 嵌入式天線(xiàn)始終保持連接且可用的狀態(tài) · 它們在覆蓋范圍、能效、輻射模式和其他性能標準方面存在固有的限制 · 嵌入式天線(xiàn)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(hù)的手或身體可能會(huì )引起天線(xiàn)模式、效能和性能的變化 相比之下，外置天線(xiàn)則具有以下特征： · 它們在輻射模式、帶寬和增益的定制方面擁有更多的潛力，因為它們具有更大的設計自由度 · 它們不必連接到物聯(lián)網(wǎng)/射頻單元上，并可以通過(guò)使用同軸電纜保持適當的距離，實(shí)現最優(yōu)定位 · 它們受產(chǎn)品設計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(xiàn)還是內置天線(xiàn)，通常是根據多個(gè)因素決定的。其中包括最終產(chǎn)品的應用和用戶(hù)偏好、與性能的平衡，以及天線(xiàn)將用于移動(dòng)還是固定場(chǎng)景。例如，帶有外置天線(xiàn)的智能手機可能被認為是拙劣的設計。相比之下，固定位置的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)搭配外置且距離可能稍遠的天線(xiàn)，有可能提供更好、更穩定的連接。 多頻帶天線(xiàn)的好處 多頻帶天線(xiàn)可以滿(mǎn)足現有的應用需求，同時(shí)也為面向未來(lái)的升級設計（包括 5G 連接）提供了保障。但是，如果安裝參數和具體細節都是已知的，為什么還要考慮這樣的天線(xiàn)呢？下面是幾個(gè)很好的理由： · 可以將一根天線(xiàn)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 · 內置的多頻帶天線(xiàn)可實(shí)現更小的封裝，而外置的天線(xiàn)則減少了產(chǎn)品外殼上的天線(xiàn)連接器數量 · 多頻帶天線(xiàn)可以為有可能或預期會(huì )升級至新頻帶（例如 5G）的物聯(lián)網(wǎng)設備提供服務(wù)，不論升級是由于性能原因，還是由于現有頻帶和標準的廢止所致 · 適用于多個(gè)頻帶的單一外置天線(xiàn)保持了安裝技術(shù)和工具的通用性 · 對于關(guān)鍵的固定應用，尤其是移動(dòng)應用，設備的射頻部分可以提供雙頻支持，允許設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 · 設計人員可以在不相關(guān)的設備中使用單個(gè)內置的多頻帶天線(xiàn)，并憑借他們的經(jīng)驗在天線(xiàn)建模、放置和可能的生產(chǎn)問(wèn)題方面獲得效益 真實(shí)的多頻帶天線(xiàn)示例 盡管寬帶性能各異，但多頻帶天線(xiàn)在外形尺寸或端接類(lèi)型方面并無(wú)限制，以下三個(gè)示例說(shuō)明了這一點(diǎn)。 AEBC1101X-S 是一款 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線(xiàn)，其長(cháng)度為 115 mm，最大直徑為 19 mm，設計為在 600 MHz 至 6 GHz 范圍內工作（圖 2）。它配備一個(gè)標準的公頭 SMA 連接器，可以旋轉 90° 以便直接安裝在產(chǎn)品外殼上（也可以與同軸延長(cháng)電纜搭配使用）；還可以使用反極性 SMA 連接器。
圖 2：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線(xiàn)設計為在 600 MHz 至 6 GHz 范圍內工作，并配備一個(gè)可旋轉 90° 的整體式 SMA 同軸連接器。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 其電壓駐波比 (VSWR) 和峰值增益性能在整個(gè)頻帶上相當穩定，但在低頻和高頻范圍之間存在能效變化（圖 3）。
圖 3：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線(xiàn)在其低端（600 至 960 MHz）和高端（1400 至 6000 MHz）范圍內存在適度的性能變化。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 整個(gè)頻帶上的輻射模式近乎圓形，其中 3600 MHz 頻率下出現了一些小波瓣，這在 5600 MHz 頻率下變得更明顯一些（圖 4）。
圖 4：AEBC1101X-S X-Y 輻射模式在 3600 MHz 和 5600 MHz 之間發(fā)生變化，出現了一些波瓣。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 刀片天線(xiàn)也適用于 600 MHz 至 6 GHz 的工作頻率，其尺寸為 115.6 mm 長(cháng) × 21.7 mm 寬，具有厚度僅為 5.8 mm 的纖薄外形（圖 5）。該天線(xiàn)適合在平坦的表面使用膠帶進(jìn)行簡(jiǎn)易、便捷的安裝。
圖 5：AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT 刀片天線(xiàn)也適用于 600 MHz 至 6 GHz 工作頻率，是一種外形扁平的天線(xiàn)，適合在平坦的表面使用膠帶進(jìn)行便捷的安裝。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 該天線(xiàn)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雜（圖 6）。
圖 6：AECB1102XS-3000S 刀片天線(xiàn) X-Z 和 Y-Z 輻射模式顯示了一組比鞭形天線(xiàn)更復雜的波瓣。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） AEBC1101X-S 和 AECB1102XS-3000S 之間的一個(gè)顯著(zhù)差別是可用的端接。AECB1102XS-3000S 刀片單元標配 1 m 長(cháng)的 LMR-100 同軸電纜（取代了 RG174 和 RG316 電纜類(lèi)型），并端接廣泛使用的公頭 SMA 連接器。不過(guò)，幾乎任何長(cháng)度的電纜均可以進(jìn)行訂購，而且 SMA 之外的其他連接器類(lèi)型也能作為標準選項提供，以實(shí)現靈活的連接（圖 7）。
圖 7：AECB1102XS-3000S 的標準同軸電纜端接了公頭 SMA 連接器，但許多其他連接器也可供選擇。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） ACR4006X 600 至 6000 MHz 寬帶陶瓷貼片天線(xiàn)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）構成，以實(shí)現所需的 50 Ω 阻抗（圖 8）。
圖 8：ACR4006X 600 至 6000 MHz 寬帶陶瓷貼片天線(xiàn)的基底面僅為 40 × 6 mm，只需要兩個(gè)微型無(wú)源元件實(shí)現 50 Ω 阻抗匹配。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） ACR4006X 的規格書(shū)顯示，它是一個(gè) 600 至 6000 MHz 的器件，但請注意，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，因為這種多頻帶天線(xiàn)是針對該范圍內的三個(gè)特定頻帶（600 至 960 MHz、1710 至 2690 MHz 和 3300 至 6000 MHz）而設計并進(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。
圖 9：ACR4006X 在 600 MHz 至 6000 MHz 范圍內的能效圖和增益圖顯示存在間隙，但用戶(hù)無(wú)需擔心這些間隙，因為它們不在 3G、4G 和 5G 工作頻帶內。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 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(méi)有指定的性能。 ACR4006X 的 X-Y 輻射模式也是頻率的函數，但它在整個(gè)寬頻帶內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）。
圖 10：ACR4006X 片式天線(xiàn) X-Y 輻射模式大致為圓形，但在 90° 和 270° 有一些與頻率相關(guān)的增益下降。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 評估天線(xiàn)的性能從規格書(shū)開(kāi)始，隨后通常使用消聲室進(jìn)行確認，最后使用最終產(chǎn)品進(jìn)行現場(chǎng)測試。影響外置天線(xiàn)實(shí)際性能的因素包括外殼、移動(dòng)設備的用戶(hù)身體和手，以及天線(xiàn)的位置和放置。它在很大程度上與產(chǎn)品的內部電路板布局無(wú)關(guān)。 相反，像 ACR4006X 片式天線(xiàn)這樣的內置單元的性能則會(huì )受到相鄰元件和 pc 板的影響。為此，Abracon 提供了 ACR4006X-EVB 評估板，作為加快該片式天線(xiàn)工程評估的手段。 該評估板與矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀 (VNA) 結合使用。在對配置進(jìn)行初始校準后（這是大多數 VNA 測試的標準步驟），通過(guò) VNA 經(jīng)校準的端口，使用板上的 SMA 連接器來(lái)評估天線(xiàn)性能。 該評估板具有精確的 120 × 45 mm 尺寸，以方便正確地放置片式天線(xiàn)。它包括天線(xiàn)周?chē)匾?45 × 13 mm 金屬/接地間隙區域，以實(shí)現正常操作（圖 11）。
圖 11：ACR4006X-EVB 評估板的尺寸僅為 120 × 45 mm，方便通過(guò)其 SMA 連接器來(lái)評估片式天線(xiàn)；規格書(shū)顯示了關(guān)鍵布局區域和尺寸。（圖片來(lái)源：Abracon LLC） 結語(yǔ) 多頻帶天線(xiàn)可化解物聯(lián)網(wǎng)設備面臨的諸多挑戰，特別是那些當前需要支持單一頻帶，同時(shí)還要針對 5G 等更新標準提供更順暢的升級途徑的設備。這些天線(xiàn)還讓系統能夠支持多個(gè)頻帶，以?xún)?yōu)化在單一頻帶無(wú)法保證連接的區域的性能。如圖所示，安裝在電路板上的 Abracon 內置天線(xiàn)可實(shí)現更時(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(xiàn)則提供了靈活的放置，可實(shí)現最佳信號路徑。 |
