物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 在工業(yè)、消費(fèi)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(dòng)著低功率廣域 （LPWA） 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用量的迅速增長(zhǎng)。這種情況在美國(guó) 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(wú)線(xiàn)協(xié)議。

　　LPWA 設(shè)備在不斷縮小，并且需要價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的天線(xiàn)。天線(xiàn)地平面問(wèn)題在 868 MHz 和 915MHz ISM 頻段可能會(huì)特別麻煩。這些問(wèn)題可通過(guò)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(lái)解決，但所有這些措施都會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)時(shí)間、增加成本。設(shè)計(jì)者需要能最大限度地減少地平面問(wèn)題的天線(xiàn)。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(xiàn)的選型和集成是高效設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。不太理想的天線(xiàn)解決方案會(huì)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(shí)現(xiàn)可靠、高效的無(wú)線(xiàn)通信接口的關(guān)鍵。天線(xiàn)的選型和集成對(duì)鏈路預(yù)算有很大影響。但是，設(shè)計(jì)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(wèn)題的天線(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。影響鏈路預(yù)算的天線(xiàn)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(wèn)題的天線(xiàn)，可以極大地減少工程時(shí)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(xiàn)規(guī)格，并介紹 Molex 的天線(xiàn)實(shí)例，這些天線(xiàn)可以克服地平面問(wèn)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(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中的鏈路預(yù)算用于測(cè)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(shí)際設(shè)計(jì)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(xiàn)性能。天線(xiàn)效率、增益和輻射模式是天線(xiàn)性能的三個(gè)重要方面，通常在無(wú)線(xiàn) （OTA） 暗室中進(jìn)行測(cè)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(cè)量天線(xiàn)效率、增益和輻射模式。（圖中的 DUT 表示被測(cè)設(shè)備）（Molex 提供圖片）

　　天線(xiàn)效率決定了天線(xiàn)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(gè)數(shù)字。這是一條可以在某種程度上平坦的曲線(xiàn)，具體取決于所考慮的具體天線(xiàn)（圖 2）。相比具有更高峰值效率曲線(xiàn)的天線(xiàn)，效率曲線(xiàn)較平坦的天線(xiàn)的最大效率通常較低。

圖 2：天線(xiàn)效率曲線(xiàn)可能會(huì)大不相同：左邊的天線(xiàn)效率曲線(xiàn)比較平坦，右邊的天線(xiàn)在 915MHz 時(shí)的峰值效率要高 10% 左右。（Molex 提供圖片）

　　與效率一樣，天線(xiàn)增益可用平均值或峰值/最大值來(lái)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(cè)量的，而最大增益是一個(gè)單一的工作點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，平均增益越高越好。

　　天線(xiàn)輻射模式是增益的一個(gè)重要決定因素。在所有方向上輻射相同能量的理論天線(xiàn)被稱(chēng)為各向同性輻射器，其增益為 0dB（單位增益）。真正的天線(xiàn)，即使是所謂的全向設(shè)計(jì)，也存在非各向同性的輻射模式，且在三維平面上測(cè)量時(shí)可能會(huì)或多或少存在方向性（圖 3）。增益為 3dB 的天線(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)的輻射模式也不同，輻射模式在鏈路預(yù)算的計(jì)算中可能很重要。這兩種天線(xiàn)都被規(guī)定為具有全向輻射模式。（Molex 提供圖片）

　　天線(xiàn)設(shè)計(jì)和周?chē)h(huán)境影響輻射模式。數(shù)據(jù)表中的典型測(cè)量值在自由空間環(huán)境且周?chē)鸁o(wú)干擾的條件下測(cè)得。在實(shí)際實(shí)施中，相對(duì)于各向同性 （dBi） 而言，峰值增益將減少 1 至 2 分貝，因?yàn)檩椛淠Ｊ綍?huì)隨著周?chē)牟煌淖儭?/p>

　　回波損耗 （S11） 和電壓駐波比 （VSWR） 是從天線(xiàn)反射回射頻電路的能量的相關(guān)測(cè)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(méi)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(xiàn)時(shí)，反射功率為 -7 dB。天線(xiàn)使用的是剩余功率。

圖 4：高效率天線(xiàn)（右）在 915MHz 時(shí)的回波損耗約為 -14 dB，而效率曲線(xiàn)較平的低效率天線(xiàn)在 915 MHz 時(shí)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(xiàn)性能越好。駐波比的最小值是 1.0，即天線(xiàn)沒(méi)有反射功率。可采用阻抗匹配法來(lái)最小化 S11 和 VSWR。阻抗匹配會(huì)涉及修改天線(xiàn)和射頻電路之間的傳輸線(xiàn)，以提高最大傳輸能量。阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致部分射頻功率無(wú)法被天線(xiàn)吸收。如果傳輸線(xiàn)阻抗和天線(xiàn)阻抗之間實(shí)現(xiàn)了精確匹配，則天線(xiàn)會(huì)吸收全部射頻功率。

　　有些天線(xiàn)的阻抗為 50 Ω，不需要匹配網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)天線(xiàn)需要在傳輸線(xiàn)中通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)性能。匹配網(wǎng)絡(luò)一般需要支持多頻段的天線(xiàn)。 需要時(shí)，可以由電容、電感或電阻的各種組合來(lái)組成匹配網(wǎng)絡(luò)。

　　增強(qiáng)天線(xiàn)性能

　　基本天線(xiàn)由特定長(zhǎng)度的導(dǎo)體組成，而且可以通過(guò)增加其它元件來(lái)提高其性能。例如 Molex 的 MobliquA? 技術(shù)天線(xiàn)。這種天線(xiàn)采用了帶寬增強(qiáng)技術(shù)。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(chēng)為“阻抗帶寬”。這項(xiàng)技術(shù)可以在不影響輻射效率或不增加天線(xiàn)尺寸的情況下將阻抗帶寬提高 60% 至 70%。相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用 MobliquA 技術(shù)設(shè)計(jì)的 868MHz 和 915MHz 頻段 ISM 天線(xiàn)的體積可減少 75%，而且不需要通過(guò)昂貴的電路和頻率調(diào)諧來(lái)解決地平面依賴(lài)性問(wèn)題。

　　MobliquA 技術(shù)天線(xiàn)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(xiàn)對(duì)插入天線(xiàn)內(nèi)的金屬部件具有較高的抗干擾能力。獨(dú)特的饋送技術(shù)與天線(xiàn)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(xiàn)集成

　　雖然上文討論的所有電氣規(guī)格都是天線(xiàn)集成的重要方面，但還需考慮機(jī)械連接、天線(xiàn)納入系統(tǒng)方面的問(wèn)題。這存在多種可能性。例如，一些天線(xiàn)是焊接到系統(tǒng)中的，而其他天線(xiàn)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(xiàn)的一些規(guī)格。

　　帶同軸電纜和連接器的柔性 ISM 天線(xiàn)

　　對(duì)于需要 868/915 MHz 雙頻 ISM 天線(xiàn)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以采用 Molex 的 2111400100 型天線(xiàn)（圖 6）。這種單極天線(xiàn)尺寸為 38×10×0.1 mm，采用柔性聚合物材料制成，有一條長(zhǎng) 100 mm、外徑為 1.13 mm 的微同軸電纜以及一個(gè)兼容 MHF 的 U.FL 連接器。這種天線(xiàn)“即剝即貼”，可以固定在任何非金屬表面。這類(lèi)天線(xiàn)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(zhǎng)度選擇，還可提供定制長(zhǎng)度的天線(xiàn)。

圖 6：這種雙頻 ISM 天線(xiàn)具有撓性，通過(guò)“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(shí) 》55%，902 MHz 時(shí) 》60%。

　　峰值增益：868 MHz 時(shí)為 0.3 dBi，902 MHz 時(shí)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(xiàn)焊接在 PCB 上

　　當(dāng)需要更高的效率時(shí)，設(shè)計(jì)者可使用專(zhuān)門(mén)為 ISM 應(yīng)用設(shè)計(jì)的 2081420001 陶瓷天線(xiàn)（圖 7）。不同的匹配網(wǎng)絡(luò)可用于兩個(gè)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(guò)不同的匹配網(wǎng)絡(luò)，這種陶瓷天線(xiàn)可以用于兩個(gè)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(shí)為 70%，902 MHz 時(shí)為 65%

　　峰值增益：868 MHz 時(shí)為 1.5 dBi，902 MHz 時(shí)為 1.8 dBi

　　輻射模式：全向

　　回波損耗 （S11）：868 MHz 時(shí) 《-10，902MHz 時(shí) 《-5

　　結(jié)語(yǔ)

　　進(jìn)行天線(xiàn)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(xiàng)重要而復(fù)雜的任務(wù)。為了確保良好的無(wú)線(xiàn)性能和更長(zhǎng)的電池壽命，必須優(yōu)化鏈路預(yù)算。它包括許多電氣運(yùn)行規(guī)格的權(quán)衡和有效阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)。選擇天線(xiàn)時(shí)，還必須考慮工作環(huán)境及其機(jī)械和互連要求。