如何為 IoT 裝置挑選和應用天線

物聯網 (IoT) 裝置的激增，不斷加快創新終端產品的設計速度，也激發設計靈感。但設計人員必須謹記，無論在軟硬體上投入多少創意和心力，天線仍是關鍵要角之一。倘若天線無法正常運作，產品效能將大打折扣。

天線是裝置和無線網路之間的橋樑，亦是 IoT 裝置設計流程中的關鍵零件。天線的發射器會將電能轉換成電磁無線射頻 (RF) 波，而接收器則會將傳入的 RF 訊號轉換成電能。設計人員只要挑選符合關鍵工程參數的天線，就能讓應用達到最佳化效能。但天線款式之多，加上其他考量因素，設計週期可能陷入延宕且徒增成本。

本文將概述天線在無線 IoT 裝置中的角色，以及影響天線選擇的關鍵設計條件。接著將以 Amphenol 的天線為例，說明低功耗藍牙 (BLE) 或 Wi-Fi 感測器、具備 GNSS 衛星定位功能的 IoT 資產追蹤器、Wi-Fi 存取點 (AP) 與 LoRa IoT 裝置，分別適合選用該公司的何種天線產品。

規格書解讀

天線的最終效能取決於工程決策，例如安裝位置以及阻抗匹配網路的設計。若要達到良好的實作，必須詳閱天線規格書。關鍵參數包括：

• 輻射場型：以圖形的方式定義天線如何在 3D 空間中釋放 (或吸收) 無線電能量 (圖 1)。
• 最大功率傳輸：當傳輸線路阻抗值 (Z₀) 與天線的阻抗值 (Z_a) 彼此匹配時，天線和接收器之間便能達到有效的功率傳輸。阻抗匹配不佳則會讓回波損耗 (RL) 增加。電壓駐波比 (VSWR) 可指出傳輸線路和天線之間的阻抗匹配情況 (表 1)。VSWR 值較高時，功率損耗也會升高。對 IoT 產品而言，VSWR 低於 2 通常是可接受的。
• 頻率響應：回波損耗 (RL) 取決於無線射頻。設計人員應從規格書中查看天線的頻率響應，確保 RL 在預期的工作頻率下降至最低 (圖 2)。
• 指向性：可用來測量天線輻射場型的方向性本質。最大指向性定義為 D_max。
• 效率 (η)：總輻射功率 (TRP 或 P_rad) 與輸入功率 (P_in) 的比率是根據公式 η = (Prad/Pin) * 100% 計算得出。
• 增益：描述有多少功率朝峰值輻射方向傳輸。其通常參照等向天線，且以 dBi 表示。計算公式為：增益_max = η * D_max。

圖 1：輻射場型以圖形呈現天線如何在 3D 空間中釋放或吸收無線電能量。規格書通常會顯示天線按預期方式安裝時，在 XY 和 YZ 平面上的最大覆蓋範圍。(圖片來源：Amphenol)

表 1：VSWR 可指出傳輸線路和天線之間的阻抗匹配情況。對 IoT 產品而言，VSWR 低於 2 通常是可接受的。(表格來源：Steven Keeping)

圖 2：VSWR 和 RL 取決於頻率。RL 在預期的工作頻率下應盡可能降至最低。(圖片來源：Amphenol)

提升效能

天線效能不佳會對發射器可將多少電力轉化成輻射能量的能力，以及接收器可從傳入之 RF 訊號採集多少能量的能力造成限制。任何一端效能不佳都會降低無線鏈路的覆蓋範圍。

阻抗值是影響天線效能的主要因素。天線的阻抗值與輸入端的電壓及電流有關，當此阻抗值與驅動天線的電壓來源阻抗值明顯不匹配時，能量傳輸效果將差強人意。

一款設計得宜的阻抗匹配電路，能讓發射器電源的阻抗值與天線的阻抗值互相匹配，進而將 VSWR 及隨後的功率損耗降至最低。低功耗 IoT 產品的阻抗值通常為 50 Ω。

天線的位置也會大幅影響終端產品的發射功率和接收靈敏度。針對內建天線，設計準則的建議是將其放置在 IoT 裝置頂端的印刷電路板 (PCB) 邊緣處，並盡可能遠離其他可能會在運作時產生電磁干擾 (EMI) 的元件。阻抗匹配元件則屬例外，因為這類元件必須靠近天線。將天線連接到電路其餘部分的電路板墊片和走線，是在指定間隔區內唯一可存在的銅導體 (圖 3)。

圖 3：電路板安裝天線應置於靠近電路板的邊緣處。要規劃一個間隔區，讓天線遠離其他元件 (用於阻抗匹配電路的元件除外)。(圖片來源：Amphenol)

(若要進一步瞭解天線設計準則，請參閱《如何在 IoT 設計中使用多頻段嵌入式天線以節省時間、複雜性與成本》。)

天線類型

天線的指定在 IoT 裝置的設計流程中屬於重要環節。天線應針對目標無線介面的 RF 頻段進行最佳化，例如多頻段的 NB-IoT (450 MHz 至 2200 MHz)、北美的 LoRa (902 至 928 MHz)、Wi-Fi (2.4 GHz 與 5 GHz) 以及 Bluetooth LE (2.4 GHz)。

天線採用不同的電氣概念。例如單極天線、偶極天線、迴路天線、倒 F 形天線 (IFA) 和平面倒 F 形天線 (PIFA)。每種天線都有其適合的特定應用。

另外，還有單端和差動天線。單端天線屬於不平衡型，而差動天線為平衡型。單端天線會接收或傳輸接地參考訊號，且特性輸入阻抗值通常為 50 Ω。但是，由於許多 RF IC 都有差動 RF 連接埠，因此若採用單端天線，通常需使用轉換網路。這種平衡不平衡轉換網路，會將訊號從平衡型轉換成不平衡型。

差動天線的傳輸會利用兩道互補訊號，各在其導體內。由於差動天線為平衡型，當天線搭配具有差動 RF 連接埠的 RF IC 使用時，就無需使用平衡不平衡轉換器。

最後，天線有幾種不同的外型尺寸，例如電路板天線、晶片或塊狀天線、外接鞭型天線和線型天線。圖 4 顯示一些應用範例。

圖 4：適用於各種 IoT 應用的不同天線。(圖片來源：Amphenol)

依據應用挑選配合的天線

實際應用和產品的外型尺寸，是挑選天線時的最終決定因素。例如，如果 IoT 產品本身空間有限，可在電路板電路中直接加入電路板天線。這類天線非常適合用於 2.4 GHz 應用，例如智慧型家庭裝置 (包括照明、恆溫器和安全系統) 中的 Bluetooth LE 或 Wi-Fi 感測器。這類天線採用薄型架構，可提供可靠的 RF 效能。儘管如此，電路板天線在設計上仍有棘手之處。另一種方法是向市面廠商購買電路板天線，就可以使用背膠將其連接到電路板上。

Amphenol 的 ST0224-10-401-A Wi-Fi 電路板走線 RF 天線就是範例之一。這款天線可在 2.4 至 2.5 GHz 和 5.15 至 5.85 GHz 頻段中提供全向性輻射場型。天線的尺寸為 30 x 10 x 0.2 mm，阻抗值為 50 Ω。兩個頻率範圍的 RL 都小於 -10 dB，在 2.4 GHz 頻段中的峰值增益為 2.1 dBi，在 5 GHz 頻段中為 3.1 dBi。其效率分別為 77% 和 71% (圖 5)。

圖 5：ST0224-10-401-A Wi-Fi 電路板走線天線在 2.4 和 5 GHz 頻段中都展現高效率。(圖片來源：Amphenol)

對於空間有限的 IoT 產品來說，也可選用晶片天線。自動化設備能將這種小型元件直接安裝在電路板上。這種天線適合採用 Bluetooth LE 或 Wi-Fi 架構的無線 IoT 應用。晶片天線的主要優點在於可節省空間、降低製造成本以及簡化設計流程。

如上所述，晶片天線的效能受到電路板佈局和周圍元件等因素的影響，但天線技術的進步已經可促成高效率裝置。晶片天線適用於眾多應用，從智慧型手機與平板電腦，再到智慧家庭系統和工業感測器等。。

Amphenol 的 ST0147-00-011-A 就是範例之一，屬於 2.4 GHz 電路板表面黏著晶片天線。這款天線可在 2.4 至 2.5 GHz 頻段內提供全向性輻射場型 (圖 6)。天線的尺寸為 3.05 x 1.6 x 0.55 mm，阻抗值為 50 Ω。RL 小於 -7 dB，峰值增益為 3.7 dBi，平均效率為 80%。

圖 6：ST0147-00-011-A 表面黏著晶片天線尺寸小巧，可在 XY 平面上呈現全向性輻射場型。(圖片來源：Amphenol)

如同電路板天線，塊狀天線也尺寸小巧，可直接連接在電路板上。典型應用是將天線用於資產追蹤器，或其他具備全球導航衛星系統 (GNSS) 功能的裝置。GNSS 塊狀天線含有一個塊狀元件，該元件裝在介電質基板上。具有高效率，因此可確保天線接收來自多個衛星的微弱 GNSS 訊號。

Amphenol 的 ST0543-00-N04-U 被動式 GNSS 塊狀天線就是範例之一，可在 1.575 和 1.602 GHz 頻段運作。天線的尺寸為 18 x 18 x 4 mm，阻抗值為 50 Ω。兩個頻率範圍的 RL 都小於 -10 dB，在 1.575 GHz 頻段的峰值增益為 -0.5 dBi，在 1.602 GHz 頻段則為 1.0 dBi。效率分別為 80% 和 82%。

外接式鞭型天線，例如 Wi-Fi AP 上的天線，會安裝在 IoT 裝置外部，以便無線電達到最佳化運作。外接式鞭型天線會擴大訊號範圍、改善訊號品質，以及克服障礙物或干擾。這種天線在訊號較弱或訊號受阻的環境中很有用，例如家中的牆壁、天花板和傢俱造成訊號衰減的情況。此類天線有提供直式和旋轉鞭型設計，且每種均附標準 RF 介面連接，例如 SMA、RP-SMA 和 N 型。

Amphenol 的 ST0226-30-002-A 2.4 和 5 GHz SMA RF 棒狀天線就是範例之一。對於 Wi-Fi AP 和機上盒 (STB)，這款天線是不錯的解決方案。可在 2.4 至 2.5 GHz 和 5.15 至 5.85 GHz 頻段中提供全向性輻射場型。此天線的直徑為 88 x 7.9 mm，阻抗值為 50 Ω。兩個頻率範圍的 RL 都小於 -10 dB，在 2.4 GHz 頻段的峰值增益為 3.0 dBi，在 5 GHz 頻段則為 3.4 dBi。其效率分別為 86% 和 75%。這款天線可提供 SMA 或 RP-SMA 插頭連接器 (圖 7)。

圖 7：適用於 Wi-Fi AP 的 ST0226-30-002-A 外接式鞭型天線，可提供 SMA 或 RP-SMA 插頭連接器。(圖片來源：Amphenol)

對於 sub-GHz 應用，例如在 868 MHz 頻段運作的 LoRa IoT 裝置，就可選用螺旋線天線，其費用低廉且結構簡單。這類天線通常直接焊接在電路板上，並可提供良好的效能。缺點是較笨重，尤其是在低頻率下運作時；而且相較於一些天線替代方案，效率也相對較低。

Amphenol 的 ST0686-10-N01-U 862 MHz RF 天線就是範例之一 (圖 8)。這款螺旋線天線可在 862 至 874 MHz 頻段中運作，阻抗值為 50 Ω。此天線採用通孔式焊接安裝，最大高度為 38.8 mm。RL 小於 -9.5 dB，峰值增益為 2.5 dBi，平均效率為 58%。

圖 8：ST0686-10-N01-U 螺旋線天線是 LoRa IoT 應用的絕佳選擇。(圖片來源：Amphenol)

結論

無線 IoT 裝置的無線電效能取決於天線的挑選，因此設計人員務必從 Amphenol 等供應商的眾多天線設計中謹慎挑選，以便與應用達到最佳搭配。在挑選的過程中，雖然參閱規格書相當關鍵，但遵照既定的設計準則，就可確保發揮最佳的無線效能。