使用耐用的多頻段天線因應行動連線的難題

除了智慧型手機和物聯網 (IoT) 裝置外，另一個推動行動無線連線的主要因素是交通應用，包括鐵路、卡車和資產追蹤。這些應用對系統天線提出一系列獨特且重要的要求，例如振動、衝擊、極端溫度、雨水、濕度，以及能夠在寬廣頻寬甚至在多個頻段上運作，且同時要提供穩定的效能。

雖然設計和打造合適的天線完全可行，但在幾乎所有要求嚴苛的應用中，使用經過適當設計、精心構造、具備完整特性的現成標準單元是最合理的方式。這不但可以降低成本、縮短開發時間，還可提高對最終設計的信心。

本文將探討與運輸天線設計相關的問題。然後會介紹 TE Connectivity 兩款安裝在外殼表面的多頻段天線，其中包括一個基本的「盒子」，可能還有一個暴露在外的行動車輛。

應用推動實踐

天線是在電子電路和自由空間電磁 (EM) 場之間的重要傳感器，往往也是設計中最外露的元件。即便在惡劣的環境條件下，天線也必須要以相容於整個系統設計的外形尺寸，提供所需的電氣和 RF 效能。

對於貨運系統，尤其是高速載客鐵路來說，天線還必須輕鬆地整合到符合空氣動力學的外殼中，既要提供最小的風阻，還要不受嚴苛的環境條件影響 (圖 1)。類似的限制條件也適用於資產追蹤情況，此時天線必須外露，以接收全球導航衛星系統 (GNSS) 的訊號。

圖 1：如今，火車等行動高速設備，因為風阻和惡劣的環境而面臨嚴峻的挑戰，因此需要運用多種標準和頻段的行動連線。(圖片來源：TE Connectivity)

理想的天線會精心搭配應用專屬的特性，包括所需的輻射模式、適當的阻抗匹配、較低的電壓駐波比 (VSWR)、機械的完整性、外殼的適宜性，以及電氣連接的便利性等。另外，在許多情況下，還需要使用主動式天線搭配整合式低雜訊放大器 (LNA)，來增強訊號路徑，並達到最大的前端訊噪比 (SNR)。

與所有元件一樣，幾乎所有的天線設計和裝設都有一些極為關鍵的參數必須考量，以及其他一些在指定情況下才比較重要的參數。對天線而言，在指定頻段下的輻射場形和效能才是關鍵的考量。

天線實作原則

在交通運輸和資產追蹤應用中，由於方向的隨機變化，天線的定向成為一大難題。因此在整個指定頻段內，俯視和側視方向都具有一致的全向輻射場形至關重要。

舉例而言，TE Connectivity 的 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線專為 698 至 960 MHz 和 1710 至 3800 MHz 頻段而設計，適用於 2G、3G、4G、蜂巢、GSM 和 LTE 應用 (圖 2)。只要單一天線，就可符合上述標準。這是因為天線與傳送的特定訊號格式，或與支援的標準全然無關；其設計主要由頻率、頻寬和功率所定義。

圖 2：TE Connectivity 的 1-2309605-1 是一款單模組產品，內含兩個獨立的天線，一個用於 698 至 960 MHz 頻段，另一個用於 1710 至 3800 MHz 頻段。(圖片來源：TE Connectivity)

請注意，「雙」天線與「雙頻」天線不同。雙天線 (例如 1-2309605-1) 是在一個外罩內有兩個獨立天線，每個天線都有自己的饋線；雙頻單元則是單一天線配一個饋線，但可支援兩個 (或更多) 頻段。

下面是 1-2309605-1 低頻段天線，其在俯視和側視方向的輻射場形，在整個頻寬範圍內是均勻的，從約為 700 MHz 的低頻端，一直延伸到約為 900 MHz 的高頻端 (圖 3)。

圖 3：1-2309605-1 在 700、800 和 900 MHz 頻率下 (分別為上排、中排和下排) 的側視 (左) 和俯視 (右) 增益圖，顯示出相當均勻的輻射場形。(圖片材料來源：TE Connectivity)

在 700 MHz 下 (頻段低端)，其相對於全向天線的增益 (dBi，指出天線指向性的標準指標) 僅有 1.5 dBi，表明輻射場形相當均勻。這種均勻性和平坦度將有助於保持一致的效能，不受天線方向影響。此外，900 MHz 高頻端的輻射場形也相當均勻，增益僅有 4.5 dBi。

另一個重要的天線參數是 VSWR，其正式的定義為最高電壓與最低電壓之比，或是無損傳輸線路上的發射型和反射型電壓駐波之比。在理想情況下，VSWR 比值為 1:1。雖然這通常很難實現，但使用低個位數的 VSWR，通常是可以接受的做法。

1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線可處理高達 20 W 的發射功率，以 3 m 的 RG174 纜線測量時，一端的最大 VSWR 約為 3:1，而在大部分運作頻段中，其值更接近 1.5:1 (圖 4)。一般來說，這對於許多目標應用來說已經夠低。

圖 4：以 3 m 的 RG174 纜線測量時，1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線會在整個活動頻率範圍 (x 軸) 內展現較低的 VSWR 值 (垂直軸)。(圖片來源：TE Connectivity)

在圖 4 中，綠色表示低頻要素 #1，紅色表示高頻要素 #2，黑色表示自由空間中的要素 #1 和 #2，而藍色表示 400 × 400 mm 接地面上的要素 #1 和 #2。

共址天線

為了覆蓋多個頻段，可以將兩個或多個單獨的天線放在同一處。不過，這會導致幾個潛在的問題。首先，有個顯而易見的問題就是面板或其他表面上需要有空間和固定用五金，同時還有相關的安裝成本。其次，天線之間的電磁相互作用恐會影響天線場形和效能；而這會限制天線相對於彼此的放置方式。這種相互作用能以天線隔離度來量測，其定義是天線從另一個天線接收輻射的程度。

這個難題有個解決方法，就是使用單天線單元，將多個天線組合在一個外罩或外殼內。從機械特性來看，如此可縮小整體尺寸，簡化安裝作業和天線纜線佈設，並呈現流線外觀。

從電氣特性來看，這樣做可以提前測量並指定天線之間的隔離度，儘可能減少對意外或不可預知的相互作用的擔憂。1-2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線的隔離度至少為 15 dB，並朝該單元所支援的兩個頻段中心逐漸增加 (圖 5)。

圖 5：2309605-1 M2M MiMo LTE 雙天線模組的兩個天線隔離度 (y 軸，dB) 為 15 dB 或更高，具體取決於頻率 (x 軸，MHz)。(圖片來源：TE Connectivity)

主動式接收天線的功能

除了 1-2309605-1 雙天線涵蓋的兩個頻段外，資產追蹤等許多應用還需要接收來自 GPS (美國)、Galileo (歐洲) 和北斗 (中國) GNSS 系統的訊號，以取得定位或定時資訊。為了簡化此任務並避免需要另一個外部離散天線，TE 推出 1-2309646-1。除了雙天線單元的兩個天線之外，還添加第三個天線，只負責接收 1562 至 1612 MHz 之間的 GNSS 訊號。

然而，接收 GNSS 訊號的需求也為系統設計人員帶來另一項難題，而這需要回溯到發射與接收功能的本質。當用於發射時，天線及其饋線處於確定狀態。會從發射功率放大器 (PA) 取得已知、受控且明確定義的訊號，並將訊號輻射出去。幾乎不用擔心該訊號上的內部雜訊、頻段內干擾，或是 PA 和天線之間的頻外訊號。

由於所有天線都適用互易性原理，用於發射的同一個實體天線也可用於接收。但是，接收與發射的工作條件完全不同。由於天線是在有頻內、甚至頻外干擾和雜訊的未知情況下試圖捕捉訊號，因此所需的接收訊號會有許多隨機特性，故而缺乏確定性。

此外，接收到的訊號強度較低 (大約為幾 µV 至幾 mV)，SNR 也較低。就 GNSS 訊號而言，相對於 1 mW (dBm) 的訊號功率，接收訊號功率通常介於 -127 至 -25 dB 之間，而 SNR 通常介於 10 至 20 dB 之間。由於天線和接收器前端之間的纜線會有損耗，因此這個微弱的訊號會被衰減，而且 SNR 也會因傳輸纜線中不可避免的熱雜訊和其他雜訊而有所降低。

鑒於上述原因，1-2309646-1 在第三個純接收 GNSS 的天線中整合 LNA 功能。此 LNA 可針對 GNSS 訊號提供 42 dB 增益，進而顯著增強接收訊號的強度。為了簡化使用，LNA 採用成熟的疊加技術，透過經放大的 RF 訊號同軸纜線來供電 (3 至 5 VDC，不超過 20 mA)。

DC 電源可經由接收器單元至 LNB 之間的纜線供電 (圖 6)。LNA (V1) 的 DC 電源會被小的串聯電容 (C1 和 C2) 阻斷，因此無法到達無線電頭單元 (前端)。這些電容卻可讓放大的 RF 訊號從天線 (ANT1) 傳遞到無線電頭單元 (OUT)。與此同時，放大的 RF 訊號會被串聯電感 (扼流圈) L1 和 L2 阻斷，因此無法返回電源供應器 V1。如此一來，供應 LNA 的 DC 電源，以及從 LNA 到無線電頭單元的放大 RF 訊號，便可共同一條互連同軸纜線。

圖 6：巧妙地放置電感和電容，就可將 DC 電源和 RF 訊號分離並隔離在兩端，即可將天線 LNA 的 DC 電源疊加在承載天線／LNA 輸出的纜線上。(圖片來源：Electronics Stack Exchange)

建立實體連接

任何天線或天線元件組件都需要以可靠、便利且符合電氣和機械安全的方式，與支援的無線電前端進行連接和斷開。此外，整個天線組件還需要受到保護，以免受到環境影響，同時也要容易安裝，將對安裝表面造成的影響降至最低。

為了達到這些目標，雙頻段 1-2309605-1 和三頻段 1-2309646-1 的每個頻段，都配備一根 3 m 的 RG-174 同軸纜線，並以標準 SMA 插頭端接 (圖 7)。因此，連接或斷開一個或多個天線的工作相當直覺，不僅可以在系統組裝期間於由原廠輕鬆完成，也可以在現場作為附加組件完成。

圖 7：1-2309605-1 和 1-2309646-1 中的每個天線都有其專用的 RG-174 同軸纜線，並以 SMA 插頭端接，可在需要時簡化安裝、連接、測試和拆卸作業。(圖片來源：TE Connectivity)

此外，透過一個內部 18 mm 的安裝桿，以及在天線外罩底緣的壓克力黏性墊片，就可輕鬆地將多天線模組裝至系統表面。天線的安裝很快，且不會讓硬體暴露在外，因此可避免生鏽、鬆動或不正確轉緊。

這些天線的外罩已針對行動、高速運動的應用進行最佳化。此流線型單元僅 45 mm 寬、150 mm 長，且具有圓角邊緣 (類似於汽車車頂上的「鯊魚鰭」)，可將阻力係數和風阻降至最低。除此之外，外殼更採用 UV 穩定材質，可確保暴露在陽光下，外罩也不會隨著時間而損壞。

結論

交通運輸用的高速多頻段行動無線連線，其所需的天線組件，必須滿足嚴苛的電氣、環境和機械要求。TE Connectivity 的雙天線和三天線模組提供低頻段、高頻段和選配的 GNSS 頻段天線，以及用於後者的內部 LNA。這些單元針對各個天線配備單獨的同軸纜線和連接器，並採用簡易的表面或面板安裝配置，以利安裝並提供關鍵的環境耐用性。

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