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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 除了智能手機和物聯網 (IoT) 設備，移動無線連接的另一個主要推動因素是運輸應用，包括鐵路、卡車和資產跟蹤。這些應用對系統天線提出了一系列獨特的重要要求，如振動、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，同時提供穩定的性能。 雖然可以設計制造合適的天線，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發時間，同時提高對最終設計的信心水平。 本文將探討與運輸天線設計有關的問題。然后介紹 TE Connectivity 的兩款多頻段天線，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裝置。 應用推動實施 天線是電子電路與自由空間電磁 (EM) 場之間的重要轉換器，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，天線還必須能輕松集成到空氣動力學的外殼中，既具有最小的風阻，又能不受惡劣環境的影響（圖 1）。類似限制也適用于資產追蹤的情況，在這種情況下，天線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，火車等移動高速裝置因風阻和惡劣的環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連接能力。（圖片來源：TE Connectivity） 理想的天線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，還需要通過使用帶有集成低噪聲放大器 (LNA) 的有源天線來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，幾乎所有天線的設計和安裝都需要考慮一些極為關鍵的參數，以及其他一些在特定情況下比較關鍵的參數。就天線而言，輻射模式和特定頻段下的性能是關鍵考慮因素。 天線實施原則 對于運輸和資產跟蹤應用，由于方向的隨機變化，天線的定向是一大挑戰，因此在整個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）。單天線之所以能有效滿足這一系列標準，是因為它與所傳遞的特定信號格式或所支持的標準無關；其設計主要由頻率、帶寬和功率決定。
圖 2：TE Connectivity 1-2309605-1 是一款單模塊產品，包括兩根獨立的天線，一根用于 698 至 960MHz 頻段，另一根用于 1710 至 3800 MHz 頻段。（圖片來源：TE Connectivity） 請注意，“雙”天線不同于“雙頻”天線。雙天線，如 1-2309605-1，在一個殼體內有兩根獨立天線，每根天線都有自己的饋電；雙頻天線是有一個饋電的單天線，設計支持兩個（或更多）頻段。 下面是 1-2309605-1 的低頻天線，其俯視和側視方向的輻射模式在整個帶寬內是均勻的，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。（圖片來源資料：TE Connectivity） 在 700 MHz（頻段低端）下，相對于全向天線的增益分貝 (dBi)——表示天線指向性的標準指標——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現一致的性能，無論天線方向如何。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。 另一個重要的天線參數是 VSWR，其正式定義為最高電壓與最低電壓之比，或無損傳輸線上傳輸和反射電壓駐波之比。理想情況下，VSWR 是 1:1。雖然這通常很難實現，但工作在低個位數的 VSWR 下通常是可接受的做法。 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線可以處理高達 20 瓦的發射功率，用 3 米 (m) 的 RG174 電纜測量時，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）。一般來說，這對許多目標應用而言已足夠低。
圖 4：用 3 米長的 RG174 電纜測得 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線的 VSWR （垂直軸）在整個有源頻率范圍內顯示為低值（x 軸）。（圖片來源：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 為了覆蓋多個頻段，可以將兩根或多根單獨的天線放在一起。但這會導致幾個潛在的問題。首先，一個顯而易見的問題是需要面板或其他表面空間和安裝件，同時還會產生相關的安裝成本。其次，天線之間的電磁相互作用恐會影響其模式和性能；這限制了天線相互之間的放置方式。這種相互作用以天線隔離度來衡量，其定義為一個天線從另一個天線接收輻射的程度。 解決這一難題的辦法是使用單天線單元，將多根天線組合在一個殼體或外殼內。從機械角度，這樣可減小整體尺寸，簡化安裝和天線電纜的布線，并呈現出流線型外觀。 從電氣角度，這意味著可以事先測量和指定天線之間的隔離度，最大限度地減少意外或不可預見的相互作用問題。對于 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線，隔離度至少為 15 dB，并朝向該單元所服務的兩個頻段的中心逐漸增加（圖 5）。
圖 5：2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線模塊內的兩根天線之間的隔離度（y 軸，dB）為 15 dB 或更高，測量值為頻率（x 軸，MHz）的函數。（圖片來源：TE Connectivity） 有源接收天線功能 除了 1-2309605-1 雙天線所覆蓋的兩個頻段外，許多應用，如資產跟蹤，還需要接收來自 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間信息。為了簡化這一任務，避免需要另一根外部分立天線，TE 提供了 1-2309646-1。這款產品在雙天線單元的兩根天線之外增加了第三根天線，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了另一個挑戰，即發射與接收功能的基本要求。用于發射時，天線及其饋線處于確定狀態。它們從發射器功率放大器 (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 和天線之間的頻外信號。 由于適用于所有天線的互易原理，用于發射的物理天線同時也可用于接收。然而，接收的工作條件與發射的工作條件存在很大差異。由于天線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。由于天線和接收機前端之間的電纜損耗，這個微弱的信號會被衰減，而且 SNR 也會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。為簡化使用，LNA 采用成熟的疊加技術，通過傳輸放大 RF 信號的同軸電纜來供電（3 至 5 伏 DC，不超過 20 毫安 (mA)）。 直流電通過接收器單元和 LNB 之間的電纜供應（圖 6）。LNA (V1) 的直流電被小型串聯電容器（C1 和 C2）阻斷，使其無法到達無線電頭單元（前端）。這些電容器允許來自天線 (ANT1) 的放大 RF 信號傳遞到無線電頭單元 (OUT)。同時，放大的 RF 信號被串聯電感器（扼流圈）L1 和 L2 阻斷，無法返回電源 V1。這樣一來，LNA 的直流供電以及從 LNA 到無線電頭單元的放大 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 LNA 的直流供電疊加在承載天線/LNA 輸出的電纜上。（圖片來源：Electronics Stack Exchange） 建立物理連接 任何天線或天線元件組件都需要以可靠、方便且電氣和機械安全的方式，與所服務的無線電前端連接和斷開。此外，整個天線組件需要受到保護，不受環境影響，并且易于安裝，對安裝表面的影響最小。 為了實現這些目標，雙頻 1-2309605-1 和三頻 1-2309646-1 的每個頻段都配備了一根 3 米長的 RG-174 同軸電纜，端部采用標準 SMA 插頭（圖 7）。因此，連接或斷開一根或多根天線很簡單，不僅可以很容易地在工廠系統組裝過程中完成，也可以在現場作為附加組件完成。
圖 7：1-2309605-1 和 1-2309646-1 內的每根天線都有自己的 RG-174 同軸電纜，帶 SMA 插頭端接，可簡化安裝、連接、測試和需要時的拆卸作業。（圖片來源：TE Connectivity） 此外，通過使用單一的內部 18 毫米的安裝桿，加上天線外殼底部邊緣的丙烯酸膠墊，多天線模塊可以輕松固定在系統表面。天線安裝快速，安裝件不會暴露在外造成生銹、松動或錯誤扭緊。 這些天線的外殼針對移動、高速運動應用進行了優化。該流線型裝置只有 45 mm 寬，150 mm 長，且具有圓形邊緣（類似于汽車車頂的“鯊魚鰭”），以最大限度地降低阻力系數和風阻。此外，外殼采用紫外線穩定材料，可確保暴露在陽光下不會隨著時間的推移而削弱外殼的性能。 結語 用于運輸應用的移動、高速、多頻段無線連接需要能夠滿足嚴苛電氣、環境和機械目標的天線組件。TE Connectivity 的雙天線和三天線模塊提供低頻段、高頻段和可選 GNSS 頻段天線，后者還帶有內部 LNA。這些產品為每根天線配備了單獨的同軸電纜和連接器，并采用簡單的表面或面板安裝布局，安裝簡單并提供關鍵的環境耐用性。 |
