如何使用廣頻天線滿足舊型和 5G 無線 IoT 網路的需求

除了能見度高的消費型智慧型手機之外，5G 無線鏈路還能滿足多種不同嵌入式應用的需求，例如物聯網 (IoT)、機器對機器 (MTM) 鏈路、智慧電網、自動販賣機、閘道器、路由器、保全和遠端監測連線。然而，5G 轉型並非一蹴可及。所以，無線通訊鏈路的前端就必須安裝天線，以滿足 5G 以及舊型 2G、3G 和其他非 5G 鏈路的需求，因為這些鏈路即使是在 5G 網路崛起的情況下，仍會在未來數年內持續使用。

因此，除了可支援 5G 標準的產品外，工程師還需要設計適用多頻段的產品。即使每個頻段的內部 RF 前端或功率放大器均不同，將單一廣頻天線用於 5G 和舊型頻段仍可帶來一些好處。

本文將探討用於低頻段 5G 頻譜以及舊型頻段的廣頻天線，並以 Abracon LLC 的裝置舉例說明。此外還會說明採用此類天線 (無論是可見的外接天線還是內部嵌入式天線)，如何簡化設計與物料清單 (BOM)，並在需要升級至 5G 時帶來安裝便利性。

首先需考量管制頻段

天線是 RF 傳送訊號路徑的最後一個元件，也是互補式接收器路徑中的第一個元件。天線的功用可比做一種傳感器，可在產生電流和電壓的電路，與包含輻射能量和電磁場的無線射頻之間發揮功用。

請記住，挑選適合目標應用的天線時，天線的功能與所使用的調變類型或業界標準無關。挑選天線時所使用的參數 (例如中心頻率、頻寬、增益、額定功率或實體大小)，都不取決於天線是用於振幅調變、頻率調變或相位調變 (AM、FM、PM) 訊號，或用於 3G、4G、5G，甚至是專有訊號格式。

當然，在新式應用系統設計中，可支援 5G 標準的設計得到相當多的關注，尤其是 6 GHz 以下 (大多數 5G 的應用頻率) 的 5G 頻段設計。對於系統所支援的無線標準，以及所用的頻率和頻譜 (這將決定選用何種天線)，務必要在這兩者之間加以區分。

全新的 5G 標準結合了較高階的調變機制以提高傳輸量，以便運用先前無法使用的頻譜區段，同時利用部分已使用的頻譜區段。因此，雖然業界和電信業者對現有標準的支援可能會在 2022 年逐步淘汰 (或廢除)，例如 3G，但 3G 使用的部分頻譜，仍將用於 4G 甚至 5G 當中 (圖 1)。

圖 1：600 至 6000 MHz 之間的頻率支援 3G、4G 和 5G 等多種標準，部分頻譜會有重疊。(圖片來源：Abracon LLC)

這意味著支援 3G 或 4G 頻段的天線可能仍適用於 5G，反之亦然。標準可能會被淘汰，但天線則不會，而且天線可以向上／向下相容。在這些情況下，重複使用可支援多種標準和頻段的天線，是相當實用且更多人偏好的解決方案。

在 600 MHz 至 6 GHz 的 RF 頻譜中，其他重要標準包括：

• Citizens Broadband Radio Service (CBRS) — 這是頻寬 150 MHz 且管制較鬆散的區段，頻率介於 3550 MHz 至 3700 MHz (3.5 GHz 至 3.7 GHz)。在美國，聯邦通訊委員會 (FCC) 規定此服務要在三種層級的使用者之間共享，亦即現有使用者、優先接取執照 (PAL) 使用者，和一般許可接取 (GAA) 使用者。
• LTE-M — 這是 LTE Cat-M1 (通常稱為 CAT M) 或長期演進技術 (4G) M1 類別的縮寫。此技術能讓低工作週期、電池供電型 IoT 元件直接連接 4G 網路，無需閘道器。
• 窄頻 IoT (NB-IoT) — 此蜂巢式無線技術採用 3G 技術中的正交分頻多工 (OFDM) 機制。此項技術是第三代合作夥伴計畫 (3GPP) 組織 (該組織致力於蜂巢式系統的標準化) 的一項計畫，旨在滿足數據傳輸率極低之裝置的需求，這些裝置需要連接行動網路，而且通常由電池供電。

為避免造成混淆，特此說明「廣頻」和「多頻段」這兩個術語。「廣頻」是指頻寬佔中心頻率絕大部分的天線。雖然這些數字沒有正式的定義，但此資訊通常是指頻寬至少佔中心頻率的 20% 至 30%。相較之下，「多頻段」是指設計用於支援兩個或更多頻段 (按法規標準定義) 的天線；這些頻段可以間隔很近，也可以相隔很遠。

有個多頻段天線的極端例子，即可同時用於廣播 AM (550 至 1550 kHz) 和廣播 FM (88 至 108 MHz) 的天線。多頻段天線可能是廣頻的，但不一定如此。

不管支援的數量、間距和頻寬如何，即使在內部可能包含兩個或多個不同的組合式天線，多頻段天線都只有單一個 RF 連接。多頻段天線與較簡單的廣頻天線不同，在設計時，實際上可能會在其頻寬範圍內刻意在增益覆蓋範圍內保留一些間隔，儘量減少共用通道的干擾。

內建或外接天線

設計天線時，天線所適用的無線連線標準並非問題，但務必將頻率和頻寬納入考量，因為這兩者是實作天線實體時的重要決定因素。其中有個重大設計考量在於，究竟要使用外接天線，還是使用內嵌於最終產品中的天線。

內建天線具有以下特性：

• 能讓封裝更加俐落，沒有外部附件，因此不會遭到破壞或鉤破
• 內嵌式天線始終處於連接狀態且隨時可用
• 在涵蓋範圍、效率、輻射場型和其他效能標準方面，都有固有的限制
• 內嵌式天線的效能會受到鄰近電路的影響，因此其放置的位置與電路板尺寸、佈局、元件和整體配置密切相關
• 使用者的手或身體可能會導致天線場型、效率和效能發生變化

相較之下，外接天線具有以下特點：

• 外接天線享有更高的設計自由度，因此有更多潛力可客製化輻射場型、頻寬和增益
• 天線不必連接至 IoT/RF 裝置，並且可以使用同軸纜線，以適當的距離放在最佳位置
• 在產品設計和封裝的電氣方面，天線受到的影響較小，或者完全不受影響
• 有多種樣式和配置可供選擇
• 需要連接器或纜線以進行連接，因此有可能變成故障點

在挑選外接天線和內建天線時，通常會根據多種因素進行決定。其中包括最終產品應用和使用者偏好、在天線與效能之間取得平衡，以及是在移動或還是固定的情況下使用天線。舉例而言，智慧型手機若有外接天線，看起來可能很詭異。對比之下，固定式 IoT 節點若有外接天線且距離稍遠，可能會提供更優異且更一致的連線效果。

多頻段天線的優勢

多頻段天線可滿足現有應用，同時符合未來設計升級的需求，包括 5G 連線。但是，如果已知安裝參數和細節，為何要考慮這種天線？有以下幾個好理由：

• 單一天線可用於不同頻段的一系列產品，因此可簡化存貨管理與採購工作
• 內建多頻段天線可讓封裝較小，而外接多頻段天線可讓產品外殼上的天線連接器數量減少
• 無論是出於效能原因，還是現有頻段和標準逐漸式微，多頻段天線都可以用於 IoT 裝置，而此種裝置可能 (或預計將) 升級至新的頻段 (例如 5G)
• 單一外接式多頻段天線在安裝技術和工具方面 具有通用性
• 對於關鍵的固定型應用，尤其是行動型應用，裝置的 RF 部分可能具有雙頻段支援，因此能讓裝置在頻段之間動態切換，以便在指定地區或設定中發揮最佳效能
• 設計人員可以在不相關的裝置中使用單一內建多頻段天線，但可善加利用他們在天線模型建立、放置和可能的生產問題方面的經驗，取得相關的效益

多頻段天線的實際範例

儘管具有廣頻效能，但多頻段天線在尺寸或端接類型方面不受限制，如以下三個範例所示。

AEBC1101X-S 是一款 5G/4G/LTE 蜂巢式鞭型天線，長度為 115 mm，最大直徑為 19 mm，工作頻率介於 600 MHz 至 6 GHz (圖 2)。此款天線隨附標準的 SMA 公連接器，可旋轉 90°，直接安裝在產品外殼上 (也可搭配延伸的同軸纜線)；亦有提供反轉極性 SMA 連接器。

圖 2：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂巢式鞭型天線的設計可在 600 MHz 至 6 GHz 間工作，並隨附一個可 90° 旋轉的整合式 SMA 同軸連接器。(圖片來源：Abracon LLC)

在整個頻段中，其電壓駐波比 (VSWR) 和峰值增益效能相當穩定，但在較低和較高頻率範圍之間的效率會發生變化 (圖 3)。

圖 3：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂巢式鞭型天線在其低端 (600 至 960 MHz) 與高端 (1400 至 6000 MHz) 範圍之間的效能變化不大。(圖片來源：Abracon LLC)

在整個頻段上的輻射場型相當圓，在 3600 MHz 處出現一些小波瓣，並在 5600 MHz 時變得稍微更加明顯 (圖 4)。

圖 4：AEBC1101X-S 的 X-Y 輻射場型會在 3600 與 5600 MHz 之間變化，會出現一些波瓣。(圖片來源：Abracon LLC)

AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 刀型天線也可在 600 MHz 至 6 GHz 間工作，長度為 115.6 mm，寬度為 21.7 mm，外形非常薄，僅有 5.8 mm (圖 5)。使用膠帶便可輕鬆將這款天線安裝在平坦表面上。

圖 5：AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT 刀型天線同樣適用於 600 MHz 至 6 GHz，是一款薄型天線，只需膠帶便可安裝在平坦表面上。(圖片來源：Abracon LLC)

其 RF 效能與 AEBC1101X-S 相似，最大 VSWR 低於 3.5，但峰值增益比等向輻射子略低，為 2 dBi。X-Y 和 X-Z 平面中的輻射場型也更複雜 (圖 6)。

圖 6：AECB1102XS-3000S 刀型天線的 X-Z 和 Y-Z 輻射場型顯示出一組比鞭型天線更複雜的波瓣。(圖片來源：Abracon LLC)

AEBC1101X-S 和 AECB1102XS-3000S 之間有個明顯差別就是可用的端接方式。AECB1102XS-3000S 刀型裝置標配 1 m 的 LMR-100 同軸纜線 (取代 RG174 和 RG316 纜線類型)，與廣泛使用的 SMA 公連接器進行端接。但是，幾乎可以訂購任何長度的纜線，且除了 SMA 之外，標準選項也有提供其他連接器類型，以提供連接靈活性 (圖 7)。

圖 7：AECB1102XS-3000S 的標準同軸纜線使用 SMA (M) 連接器進行端接，但也有其他的連接器可供選擇。(圖片來源：Abracon LLC)

ACR4006X 600 至 6000 MHz 廣頻陶瓷晶片天線是一種表面黏著式裝置，大小僅有 40 × 6 × 5 mm (高)。在操作中，此天線需要一個小型電感電容 (LC) 阻抗匹配網路，該網路由一個 8.2 nH 電感和一個 3.9 pF 電容 (每個尺寸皆為 0402) 組成，以達到所需的 50 Ω 阻抗值 (圖 8)。

圖 8：ACR4006X 600 至 6000 MHz 廣頻陶瓷晶片天線的覆蓋區僅有 40 × 6 mm，而且僅需兩個微小的被動元件，即可達到 50 Ω 阻抗匹配。(圖片來源：Abracon LLC)

ACR4006X 規格書指出，該產品屬於 600 至 6000 MHz 的裝置，但請注意，其效率、峰值增益和平均增益圖都有一些間隔 (圖 9)。這是刻意設計的，因為此多頻段天線針對該範圍內三個特定頻段的效能，進行了設計和最佳化：600 至 960 MHz、1710 至 2690 MHz 和 3300 至 6000 MHz，以支援 3G、4G 和 5G 頻譜配置，以及一些較小頻譜的配置。

圖 9：ACR4006X 600 至 6000 MHz 的效率與增益圖顯示了多個間隔，但使用者不需擔心，因為這些間隔不在 3G、4G 和 5G 的工作頻段內。(圖片來源：Abracon LLC)

由於 ACR4006X 不適用於 GPS 接收器，因此並未指定在 1575.42 MHz (L1 載波) 和 1227.6 MHz (L2 載波) GPS 載波頻率上的效能。

ACR4006X 的 X-Y 輻射場型也取決於頻率，但仍然在其廣大頻段上大致保持為圓形，在較低的頻率範圍內，在 90°和 270° 處只有幾個較小的增益下降 (圖 10)。

圖 10：ACR4006X 晶片天線的 X-Y 輻射場型大致為圓形，但在 90° 和 270° 處有一些與頻率相關的增益下降。(圖片來源：Abracon LLC)

評估天線的效能時，首先要從規格書開始，之後通常要使用消音室進行確認，最後再對最終產品進行現場測試。影響外接天線實際效能的因素包括外殼、行動裝置使用者的身體和手，以及天線的位置和放置。實際效能有很大程度與產品的內部電路板佈局無關。

相較之下，內建天線 (如 ACR4006X 晶片天線) 的效能則會受到相鄰元件和 PC 板的影響。因此，Abracon 提供 ACR4006X-EVB 評估板，能藉此協助進行此晶片天線的工程評估。

此評估板需搭配向量網路分析器 (VNA) 使用。對配置進行初始校準 (此為大多數 VNA 測試中的標準步驟) 之後，使用板上的 SMA 連接器，透過 VNA 的校準連接埠評估天線效能。

評估板的尺寸為 120 × 45 mm，尺寸十分精確，以便正確放置晶片天線。此板包括天線周圍所必需的 45 × 13 mm 金屬／離地距離區域，以便正常操作 (圖 11)。

圖 11：ACR4006X-EVB 評估板的尺寸僅有 120 × 45 mm，可通過 SMA 連接器評估晶片天線；規格書指出關鍵佈局面積和尺寸。(圖片來源：Abracon LLC)

結論

多頻段天線能因應 IoT 裝置帶來的挑戰，尤其是那些現在需要支援單一頻段的裝置，同時可為 5G 等新式標準提供更順暢的升級路徑。此類天線還可讓系統支援多個頻段，以便在單頻段無法保證連線的區域內，達到效能最佳化。如本文所述，Abracon 的電路板安裝式內建天線可促成外型更俐落的封裝，而其外接天線則採用一體式 RF 連接器或同軸纜線附件，因此可靈活放置，提供最佳訊號路徑。