最佳化 ISM LPWA 裝置中的天線整合

物聯網 (IoT) 在工業、消費和醫療裝置中的持續擴展，加上新興的智慧城市和智慧建築，正在推動低功率廣域 (LPWA) 無線網路使用的迅速增加。在美國的 915 MHz、歐洲的 868 和 169 MHz、亞洲的 433 MHz　工業、科學和醫療 (ISM) 無線射頻 (RF) 頻段更是如此，支援 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 等無線通訊協定。

LPWA 裝置不斷縮小，因此需要價格低廉、結構緊湊、效能優越的天線。天線接地面問題在 868 和 915 MHz ISM 頻段中尤其麻煩。可以使用額外電路、增加裝置整合度和更精確的頻率調諧來解決這些問題，但所有這些都會增加開發時間和成本。設計人員需要能夠最大程度減少接地面問題的天線。此外，LPWA 裝置通常由電池供電，需要最大的能源效率。天線的選擇和整合是高效率設計的一個關鍵。未最佳化的天線解決方案會縮短電池續航力並導致整體系統效能不佳。

經過最佳化的鏈路預算是可靠且高效無線通訊介面的關鍵。天線選擇和整合對鏈路預算有重大影響。但是，設計或選擇能夠同時解決鏈路預算和接地面問題的高效率和高效能天線是複雜的過程。影響鏈路預算的天線規格包括阻抗、回波損耗、電壓駐波比、增益、輻射方向圖等。識別容易整合、緊湊且高效能的天線，最大程度減少接地面問題，可以大幅縮短工程時間並提高整體系統效能。

本文描述一個基本的鏈路預算模型，回顧影響鏈路預算的關鍵天線規格，並介紹 Molex 的天線範例，此天線可以克服接地面問題，並協助最佳化 LPWA 裝置的鏈路預算。

基本鏈路預算

無線系統中的鏈路預算測量到達接收器的有效無線射頻能量。該方程式以 dBm 為單位的發射功率開始，以 dB 為單位添加任何增益，以 dB 為單位減去損耗，並以 dBm 為單位得出接收功率。在實際設計中，有許多因素會導致增益和損耗。

深入瞭解鏈路預算

天線效能是影響鏈路預算增益和損耗的唯一因素。天線效率、增益和輻射方向圖是天線效能的三個重要層面，通常使用Over-the-Air (OTA) 室進行測量 (圖 1)。其他可能影響鏈路預算的因素包含回波損耗 (S11 參數) 和電壓駐波比 (VSWR)。

圖 1：使用 OTA 室測量天線效率、增益和輻射方向圖。(圖片中的 DUT 指的是待測裝置) (圖片來源：Molex)

天線效率決定天線的發射率。經常使用平均效率，但效率不是一個單一的數字。這是一條或多或少平坦的曲線，實際取決於考量的特定天線 (圖 2)。通常，具有更平坦效率曲線的天線的最大效率會低於效率曲線峰值更高的天線。

圖 2：天線效率曲線變化很大：左側天線的效率曲線更平坦，但右側的天線在 915 MHz 有約 10% 更高的峰值效率。(圖片來源：Molex)

與效率一樣，天線增益可以測量為平均值或峰值／最大值。在給定頻率下，平均增益是在三維空間中的所有角度上測量，而最大增益是單一工作點。一般來說，平均增益越高越好。

天線的輻射方向圖是決定增益的重要因素。在所有方向輻射相同能量的理論天線稱為「均向輻射體」，增益為 0 dB (單位)。實際的天線，即使是所謂的全向設計，也具有非均向的輻射模式，並且在 3D 平面中測量時或多或少具有方向性 (圖 3)。增益為 3 dB 的天線在給定方向上的效率是均向輻射體的兩倍。在特定方向上讓發射體的功率或接收器的靈敏度加倍。

圖 3：不同天線設計的輻射方向圖會不同，這在計算鏈路預算時可能很重要。這兩種天線都指定了全向輻射方向圖。(圖片來源：Molex)

天線設計和周圍環境會影響輻射方向圖。典型的規格書在周圍沒有干擾的自由空間環境中進行量測。在實作中，峰值增益將相對於均向 (dBi) 降低 1 至 2 分貝，因為輻射方向圖會因周圍環境而發生變化。

回波損耗 (S11) 和電壓駐波比 (VSWR) 是從天線反射回無線射頻電路的能量的相關測量值，此值越小越好 (圖 4)。S11 ≤ -6dB 或 VSWR ≤ 3 通常被認為是最低可接受的效能水準。如果 S11 = 0 dB，則所有功率都被反射，沒有輻射。或者，如果 S11 = -10 dB，當 3 dB 的功率傳送到天線時，-7 dB 是反射功率。天線使用剩餘的功率。

圖 4：高效率天線 (右) 的回波損耗在 915 MHz 時約為 -14 dB，而低效率天線的回波損耗為更平坦的效率曲線，在 915 MHz 時約為 -10 dB。(圖片來源：Molex)

VSWR 是反射係數的函數。與回波損耗一樣，較小的 VSWR 表示天線效能更好。VSWR 的最小值為 1.0，此時天線沒有反射功率。阻抗匹配可用於最小化 S11 和 VSWR。阻抗匹配涉及修改天線和無線射頻電路之間的傳輸線，以提高最大能量傳輸。阻抗失配導致部分無線射頻功率未被天線接收。傳輸線阻抗和天線阻抗之間的精確匹配可讓天線接收到所有無線射頻功率。

有些天線的阻抗為 50 Ω，且不需要匹配網路。大多數天線需要在傳輸線中使用阻抗匹配網路來最佳化天線效能。支援多個頻段的天線通常需要匹配網路。 匹配網路可以在需要時由電容、電感或電阻的各種組合組成。

增強天線效能

基本天線由給定長度的導體組成，但可以添加其他元件以增強天線效能。其中一例是 Molex 的 MobliquA™ 天線技術，包括帶寬增強技術 (圖 5)。MobliquA 技術旨在改善回波損耗可接受的頻率範圍，通常稱為「阻抗頻寬」。此技術可以在不影響輻射效率或增加天線尺寸的情況下，將阻抗頻寬提高 60% 到 70%。使用 MobliquA 技術為 868 MHz 和 915 MHz 設計的 ISM 天線的體積比傳統設計最多可縮減 75%，並且無需昂貴的電路和解決接地面依賴性問題所需的頻率調諧。

圖 5：Molex 的 MobliquA 技術旨在提高阻抗頻寬，並提供高程度抗金屬物體插入天線實體的能力。(圖片來源：Molex)

MobliquA 技術支援使用無線射頻去耦或接地零件，例如接地連接器外罩。提供良好的抗金屬零件插入天線實體的能力。其獨特的饋電技術與天線元件的直接接地相結合，為無線射頻前端提供增強的靜電放電 (ESD) 保護。

天線整合

儘管上述所有電氣規格都是天線整合的重要層面，還存在將天線機械連接和整合到系統中的問題。有多種可能性。例如，一些天線設計為焊接到系統中，而另一些則包括同軸纜線和連接到系統的連接器。以下兩個段落將分別介紹上述全向天線的一些規格。

含同軸纜線和連接器的撓性 ISM 天線

對於需要 868/915 MHz 雙頻帶 ISM 天線的應用，設計人員可以使用 Molex 的 2111400100 型號 (圖 6)。這種單極天線尺寸為 38 x 10 x 0.1 mm，由撓性聚合物材料製成，具有長 100 mm、外徑為 1.13 mm 的微型同軸纜線和一個與 MHF 相容的 U.FL 連接器。它是「即剝即貼」，可以附著在任何非金屬表面上。可以處理 2 W 的無線射頻功率，工作溫度範圍為 -40 至 +85°C。此系列的其他天線有 50、150、200、250 和 300 mm 纜線長度選項，並且可以客製化長度。

圖 6：這種雙頻 ISM 天線具有彈性，採用「即剝即貼」黏合安裝在系統中。(圖片來源：Molex)

一些關鍵規格包括：

• 效率：在 868 MHz 時 >55%、在 902 MHz 時 >60%
• 峰值增益：868 MHz 時為 0.3 dBi、902 MHz 時為 1.0 dBi
• 輻射方向圖：全向
• 回波損耗 (S11)：< -5 dB

高效陶瓷 ISM 天線焊接到 PCB

需要更高的效率時，設計人員可以使用專為 ISM 應用設計的 2081420001 陶瓷天線 (圖 7)。可以在兩個不同的頻段使用不同的匹配網路；868 至 870 MHz 和 902 至 928 MHz。額定工作溫度為 -40 至 +125°C，尺寸為 9 x 3 x 0.63 mm。

圖7：採用不同的匹配網路，這種陶瓷天線可以用於兩個不同的頻段；868 至 870 MHz 和 902 至 928 MHz。(圖片來源：Molex)

一些關鍵規格包括：

• 效率：868 MHz 時為 70%、902 MHz 時為 65%
• 峰值增益：868 MHz 時為 1.5 dBi、902 MHz 時為 1.8 dBi
• 輻射方向圖：全向
• 回波損耗 (S11)：在 868 MHz 時 < -10、在 902 MHz 時 < -5

總結

天線最佳化和整合到 LPWA ISM 應用 (包括 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 物聯網通訊協定) 是一項重要且複雜的任務。鏈路預算必須最佳化，可確保良好的無線效能和較長的電池續航力。這包括許多電氣操作規範權衡和有效率阻抗匹配網路的開發。天線選擇過程還必須考慮操作環境以及裝置的機械和互連要求。