如何利用宽带天线同时满足传统和 5G 无线物联网网络需求
作者：Bill Schweber
除了随处可见的消费者智能手机之外，基于 5G 的无线链路还能满足多样化的嵌入式应用需求，例如物联网 (IoT)、机对机 (MTM) 链路、智能电网、自动售货机、网关、路由器、安全和远程监控连接等等。然而，向 5G 的这一转变过程不可能一蹴而就。这就需要在无线通信链路的前端使用天线，以满足 5G 以及传统的 2G、3G 和其他非 5G 链路的需求；在未来几年里，即使 5G 应用急剧增加，其他这些链路也会继续与之并存。
鉴于这些原因，工程师在设计产品时，除了支持 5G 标准的频带之外，还要兼顾其他频带。即使每个频带的内置射频前端或功率放大器是不同的，使用一个宽带天线同时服务于 5G 和传统频带也有诸多好处。
本文以 Abracon LLC 的说明性单元为代表，探讨了服务于低频带 5G 频谱以及传统频带的宽带天线。文中展示了如何使用这种类型的天线（无论是看得见的外置单元还是内置的嵌入式单元）来简化设计和物料清单 (BOM)，以及在需要时加快到 5G 的升级安装。
从监管频带开始
天线既是射频发射信号路径的最后一个元件，也是互补接收器路径的第一个元件。天线的功能是成为两个世界之间的变送器，即由电流和电压构成的电路世界与由辐射能量和电磁场构成的射频世界。
针对目标应用选择天线时，需要记住的重要一点是，天线的工作方式与要使用的调制类型或行业标准无关。选择天线时会使用一些参数，如中心频率、带宽、增益、额定功率和物理尺寸，但无一取决于天线是会用于振幅、频率或相位调制（AM、FM、PM）信号，还是 3G、4G、5G 甚至专有信号格式。
当然，在新兴应用的系统设计中，能支持 5G 标准的设计当前得到大量的关注，特别是大多数 5G 活动所在的 6 GHz 以下的 5G 频带。务必将系统支持的无线标准与决定天线选择的频率和频谱区分开来，这一点非常重要。
新的 5G 标准不仅使用以前不可用的频谱段，同时还通过纳入更高级别的调制方案来利用已在使用的频谱部分来获得更高的吞吐量。因此，虽然行业和运营商对现有标准的支持可能会逐步遭到淘汰（或“没落”），如 2022 年的 3G 标准，但 3G 所用的频谱部分仍将用于 4G 甚至 5G 标准（图 1）。
图 1：600 与 6000 MHz 之间的频率支持多种标准，如 3G、4G 和 5G，并且存在一些频谱重叠。（图片来源：Abracon LLC）
这意味着支持 3G 或 4G 频带的天线可能对 5G 依然适用，反之亦然。该标准可能已经没落，但其天线却不会没落，可能具有向前/向后的天线兼容性。在上述每种情况下，重复使用支持多个标准和频带的天线都是一种实用且通常可取的解决方案。
600 MHz 至 6 GHz 射频频谱内的其他重要标准包括：
· 公民宽带无线电服务 (CBRS)，介于 3550 MHz 至 3700 MHz 范围内（3.5 GHz 至 3.7 GHz）、宽度为 150 MHz 的宽松监管频带。在美国，联邦通信委员会 (FCC) 已指定在三个层次的用户之间共享这一服务：现有用户、优先接入许可证 (PAL) 用户和一般授权接入 (GAA) 用户。
· LTE-M，这是 LTE Cat-M1（通常称为 CAT M）或长期演进 (4G) 类别 M1 的缩写。利用这项技术，低占空比的电池供电型物联网设备无需使用网关即可直接连接到 4G 网络。
· 窄带物联网 (NB-IoT) 是一种在 3G 范围内使用正交频分复用 (OFDM) 的蜂窝级无线技术。它是由第三代合作伙伴计划（3GPP，蜂窝系统标准化的支持组织）提出的一项计划，用以满足需要连接到移动网络，而且往往采用电池供电的极低数据率设备的需求。
以下是一条关于术语“宽频”和“多频”的说明，因为这两者之间可能存在混淆和歧义。“宽频”是指天线的带宽占其中心频率的相当大一部分。虽然这个数字并没有正式的定义，但非正式地讲，通常意味着至少为中心频率 20% 至 30% 的带宽。相比之下，“多频带”是指天线的设计可以支持监管标准所定义的两个或更多个频带；这些频带可能间距很近，也可能相隔甚远。
多频带天线的一个极端例子是可同时用于广播 AM（550 至 1550 kHz）和广播 FM（88 至 108 MHz）的天线。多频带天线可能但不一定是宽带天线。
无论其支持的频带数量、间距和带宽如何，多频带天线都只有一个射频连接，即使在内部它可能是由两个或更多个不同的组合天线构成。与较简单的宽带天线不同，多频带天线的设计实际可能会在整个带宽的增益覆盖上故意留出间隙，以最大限度减少同道干扰。
内置还是外置天线
天线所用的无线连接标准并非天线设计的问题，但频率和带宽让天线的物理实现成为一项重要的设计决策，因此也是绝对需要考虑的因素。其中一项主要的设计考虑是，使用外置天线还是嵌入到最终产品的内置天线。
内置天线具有以下属性：
· 它们使封装更加时尚，没有可能造成断裂或钩挂的外部附件
· 嵌入式天线始终保持连接且可用的状态
· 它们在覆盖范围、能效、辐射模式和其他性能标准方面存在固有的限制
· 嵌入式天线的性能将会受到相邻电路的影响，因此它的放置与电路板的尺寸、布局、元件和整体布置密切相关
· 用户的手或身体可能会引起天线模式、效能和性能的变化
相比之下，外置天线则具有以下特征：
· 它们在辐射模式、带宽和增益的定制方面拥有更多的潜力，因为它们具有更大的设计自由度
· 它们不必连接到物联网/射频单元上，并可以通过使用同轴电缆保持适当的距离，实现最优定位
· 它们受产品设计和封装的电气方面影响较小，或者根本不受其影响
· 它们有多种风格和配置可供选择
· 它们需要一个连接器或电缆进行连接，而这可能成为一个故障点
选择外置天线还是内置天线，通常是根据多个因素决定的。其中包括最终产品的应用和用户偏好、与性能的平衡，以及天线将用于移动还是固定场景。例如，带有外置天线的智能手机可能被认为是拙劣的设计。相比之下，固定位置的物联网节点搭配外置且距离可能稍远的天线，有可能提供更好、更稳定的连接。
多频带天线的好处
多频带天线可以满足现有的应用需求，同时也为面向未来的升级设计（包括 5G 连接）提供了保障。但是，如果安装参数和具体细节都是已知的，为什么还要考虑这样的天线呢？下面是几个很好的理由：
· 可以将一根天线用于面向不同频带的一系列产品，因而简化了库存管理和采购
· 内置的多频带天线可实现更小的封装，而外置的天线则减少了产品外壳上的天线连接器数量
· 多频带天线可以为有可能或预期会升级至新频带（例如 5G）的物联网设备提供服务，不论升级是由于性能原因，还是由于现有频带和标准的废止所致
· 适用于多个频带的单一外置天线保持了安装技术和工具的通用性
· 对于关键的固定应用，尤其是移动应用，设备的射频部分可以提供双频支持，允许设备在不同的频带之间动态切换，从而在给定的地点或环境获得最佳性能
· 设计人员可以在不相关的设备中使用单个内置的多频带天线，并凭借他们的经验在天线建模、放置和可能的生产问题方面获得效益
真实的多频带天线示例
尽管宽带性能各异，但多频带天线在外形尺寸或端接类型方面并无限制，以下三个示例说明了这一点。
AEBC1101X-S 是一款 5G/4G/LTE 蜂窝鞭形天线，其长度为 115 mm，最大直径为 19 mm，设计为在 600 MHz 至 6 GHz 范围内工作（图 2）。它配备一个标准的公头 SMA 连接器，可以旋转 90° 以便直接安装在产品外壳上（也可以与同轴延长电缆搭配使用）；还可以使用反极性 SMA 连接器。
图 2：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂窝鞭形天线设计为在 600 MHz 至 6 GHz 范围内工作，并配备一个可旋转 90° 的整体式 SMA 同轴连接器。（图片来源：Abracon LLC）
其电压驻波比 (VSWR) 和峰值增益性能在整个频带上相当稳定，但在低频和高频范围之间存在能效变化（图 3）。
图 3：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂窝鞭形天线在其低端（600 至 960 MHz）和高端（1400 至 6000 MHz）范围内存在适度的性能变化。（图片来源：Abracon LLC）
整个频带上的辐射模式近乎圆形，其中 3600 MHz 频率下出现了一些小波瓣，这在 5600 MHz 频率下变得更明显一些（图 4）。
图 4：AEBC1101X-S X-Y 辐射模式在 3600 MHz 和 5600 MHz 之间发生变化，出现了一些波瓣。（图片来源：Abracon LLC）
AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 刀片天线也适用于 600 MHz 至 6 GHz 的工作频率，其尺寸为 115.6 mm 长 × 21.7 mm 宽，具有厚度仅为 5.8 mm 的纤薄外形（图 5）。该天线适合在平坦的表面使用胶带进行简易、便捷的安装。
图 5：AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT 刀片天线也适用于 600 MHz 至 6 GHz 工作频率，是一种外形扁平的天线，适合在平坦的表面使用胶带进行便捷的安装。（图片来源：Abracon LLC）
该天线的射频性能与 AEBC1101X-S 相似，最大 VSWR 低于 3.5，但峰值增益为 2 分贝，略低于全向辐射器 (dBi)。X-Y 和 X-Z 平面的辐射模式也更加复杂（图 6）。
图 6：AECB1102XS-3000S 刀片天线 X-Z 和 Y-Z 辐射模式显示了一组比鞭形天线更复杂的波瓣。（图片来源：Abracon LLC）
AEBC1101X-S 和 AECB1102XS-3000S 之间的一个显著差别是可用的端接。AECB1102XS-3000S 刀片单元标配 1 m 长的 LMR-100 同轴电缆（取代了 RG174 和 RG316 电缆类型），并端接广泛使用的公头 SMA 连接器。不过，几乎任何长度的电缆均可以进行订购，而且 SMA 之外的其他连接器类型也能作为标准选项提供，以实现灵活的连接（图 7）。
图 7：AECB1102XS-3000S 的标准同轴电缆端接了公头 SMA 连接器，但许多其他连接器也可供选择。（图片来源：Abracon LLC）
ACR4006X 600 至 6000 MHz 宽带陶瓷贴片天线是一种尺寸仅为 40 × 6 × 5 mm 的表面贴装器件。在工作时，它需要一个微型电感器-电容器 (LC) 阻抗匹配网络，该网络由一个 8.2 nH 的电感器和一个 3.9 pF 的电容器（均为 0402 尺寸）构成，以实现所需的 50 Ω 阻抗（图 8）。
图 8：ACR4006X 600 至 6000 MHz 宽带陶瓷贴片天线的基底面仅为 40 × 6 mm，只需要两个微型无源元件实现 50 Ω 阻抗匹配。（图片来源：Abracon LLC）
ACR4006X 的规格书显示，它是一个 600 至 6000 MHz 的器件，但请注意，其能效、峰值增益和平均增益图具有一些间隙（图 9）。这是有意为之的，因为这种多频带天线是针对该范围内的三个特定频带（600 至 960 MHz、1710 至 2690 MHz 和 3300 至 6000 MHz）而设计并进行了性能优化，以支持 3G、4G 和 5G 分配，以及一些更小的频谱分配。
图 9：ACR4006X 在 600 MHz 至 6000 MHz 范围内的能效图和增益图显示存在间隙，但用户无需担心这些间隙，因为它们不在 3G、4G 和 5G 工作频带内。（图片来源：Abracon LLC）
由于 ACR4006X 不适用于 GPS 接收器，因此其在 GPS 载波频率 1575.42 MHz（L1 载波）和 1227.6 MHz（L2 载波）没有指定的性能。
ACR4006X 的 X-Y 辐射模式也是频率的函数，但它在整个宽频带内仍然保持大致的圆形，只有在低频率范围的 90° 和 270° 有一些适度的增益下降（图 10）。
图 10：ACR4006X 片式天线 X-Y 辐射模式大致为圆形，但在 90° 和 270° 有一些与频率相关的增益下降。（图片来源：Abracon LLC）
评估天线的性能从规格书开始，随后通常使用消声室进行确认，最后使用最终产品进行现场测试。影响外置天线实际性能的因素包括外壳、移动设备的用户身体和手，以及天线的位置和放置。它在很大程度上与产品的内部电路板布局无关。
相反，像 ACR4006X 片式天线这样的内置单元的性能则会受到相邻元件和 pc 板的影响。为此，Abracon 提供了 ACR4006X-EVB 评估板，作为加快该片式天线工程评估的手段。
该评估板与矢量网络分析仪 (VNA) 结合使用。在对配置进行初始校准后（这是大多数 VNA 测试的标准步骤），通过 VNA 经校准的端口，使用板上的 SMA 连接器来评估天线性能。
该评估板具有精确的 120 × 45 mm 尺寸，以方便正确地放置片式天线。它包括天线周围必要的 45 × 13 mm 金属/接地间隙区域，以实现正常操作（图 11）。
图 11：ACR4006X-EVB 评估板的尺寸仅为 120 × 45 mm，方便通过其 SMA 连接器来评估片式天线；规格书显示了关键布局区域和尺寸。（图片来源：Abracon LLC）
结语
多频带天线可化解物联网设备面临的诸多挑战，特别是那些当前需要支持单一频带，同时还要针对 5G 等更新标准提供更顺畅的升级途径的设备。这些天线还让系统能够支持多个频带，以优化在单一频带无法保证连接的区域的性能。如图所示，安装在电路板上的 Abracon 内置天线可实现更时尚的封装，而其使用整体式射频连接器或同轴电缆附件的外置天线则提供了灵活的放置，可实现最佳信号路径。
