來源：Digi-Key
作者：Bill Schweber
除了智能手機和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備，移動無線連接的另一個主要推動因素是運輸應(yīng)用，包括鐵路、卡車和資產(chǎn)跟蹤。這些應(yīng)用對系統(tǒng)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(wěn)定的性能。
雖然可以設(shè)計制造合適的天線，但在幾乎所有具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，采用正確設(shè)計、精心制造、具備完整特性的現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)裝置是最合理的方式。這樣做可以降低成本并縮短開發(fā)時間，同時提高對最終設(shè)計的信心水平。
本文將探討與運輸天線設(shè)計有關(guān)的問題。然后介紹 TE Connectivity 的兩款多頻段天線，設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)換器，因此往往是設(shè)計中暴露最多的元素。然而，它必須采用與整體系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)，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(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）。類似限制也適用于資產(chǎn)追蹤的情況，在這種情況下，天線必須暴露在外以接收全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 的信號。
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圖 1：現(xiàn)在，火車等移動高速裝置因風(fēng)阻和惡劣的環(huán)境而面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因為需要能夠利用各種標(biāo)準(zhǔn)和頻段的移動連接能力。（圖片來源：TE Connectivity）
理想的天線是對應(yīng)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(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ洹⒌碗妷厚v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(shè)計和安裝都需要考慮一些極為關(guān)鍵的參數(shù)，以及其他一些在特定情況下比較關(guān)鍵的參數(shù)。就天線而言，輻射模式和特定頻段下的性能是關(guān)鍵考慮因素。
天線實施原則
對于運輸和資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，由于方向的隨機變化，天線的定向是一大挑戰(zhàn)，因此在整個指定頻段內(nèi)的俯視和側(cè)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(shè)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(yīng)用（圖 2）。單天線之所以能有效滿足這一系列標(biāo)準(zhǔn)，是因為它與所傳遞的特定信號格式或所支持的標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)；其設(shè)計主要由頻率、帶寬和功率決定。
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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，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(nèi)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(shè)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(cè)視方向的輻射模式在整個帶寬內(nèi)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）。
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圖 3：1-2309605-1 在 700、800 和 900 MHz 下的側(cè)視（左）和俯視（右）增益圖（分別為上行、中行、下行）顯示出相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)——只有 1.5 dBi，表明輻射模式相當(dāng)均勻。這種統(tǒng)一性和均勻性有助于實現(xiàn)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(dāng)均勻，增益僅為 4.5 dBi。
另一個重要的天線參數(shù)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(xiàn)，但工作在低個位數(shù)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(dá) 20 瓦的發(fā)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(biāo)應(yīng)用而言已足夠低。
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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(nèi)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(lán)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(dǎo)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(chǎn)生相關(guān)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(nèi)。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(xiàn)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(yù)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(wù)的兩個頻段的中心逐漸增加（圖 5）。
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圖 5：2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線模塊內(nèi)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(shù)。（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(yīng)用，如資產(chǎn)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(tǒng)的信號以獲得位置或時間信息。為了簡化這一任務(wù)，避免需要另一根外部分立天線，TE 提供了 1-2309646-1。這款產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計者帶來了另一個挑戰(zhàn)，即發(fā)射與接收功能的基本要求。用于發(fā)射時，天線及其饋線處于確定狀態(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(dān)心該信號的內(nèi)部噪聲、頻段內(nèi)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(fā)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(fā)射的工作條件存在很大差異。由于天線是在存在頻內(nèi)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(shù)，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(yīng)（圖 6）。LNA (V1) 的直流電被小型串聯(lián)電容器（C1 和 C2）阻斷，使其無法到達(dá)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(lián)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。
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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(wù)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(huán)境影響，并且易于安裝，對安裝表面的影響最小。
為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn) 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(tǒng)組裝過程中完成，也可以在現(xiàn)場作為附加組件完成。
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圖 7：1-2309605-1 和 1-2309646-1 內(nèi)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(yè)。（圖片來源：TE Connectivity）
此外，通過使用單一的內(nèi)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(tǒng)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(yīng)用進行了優(yōu)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?shù)摹磅忯~鰭”），以最大限度地降低阻力系數(shù)和風(fēng)阻。此外，外殼采用紫外線穩(wěn)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(jié)語
用于運輸應(yīng)用的移動、高速、多頻段無線連接需要能夠滿足嚴(yán)苛電氣、環(huán)境和機械目標(biāo)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(nèi)部 LNA。這些產(chǎn)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(guān)鍵的環(huán)境耐用性。
