瞭解 IoT 天線規格書中的小細節

在設計無線物聯網 (IoT) 產品時，您需要瞭解天線及其作為產品與外部世界之間唯一介面所發揮的作用。如果天線選擇錯誤，您的最終產品可能仍會通訊，但其效能將大打折扣，以至於使用者可能會放棄並轉用其他產品。

許多設計人員面臨的問題在於，天線解決方案為數驚人，因此挑選的過程有點令人卻步。那麼，該如何篩選出最適合您設計的最佳天線？

有些決定比其他決定更容易。首先要尋找針對您設計之工作頻段進行最佳化的天線。例如，如果產品使用 LoRa 連線並以美國為目標市場，天線就應該針對 902 至 928 MHz 頻段的運作進行最佳化。如果裝置支援雙頻 Wi-Fi，天線就應該針對 2.4 GHz 和 5 GHz 的 RF 頻段運作進行最佳化。

接下來則要考量最終產品的外形尺寸。舉例而言，如果支援低功耗藍牙 (LE) 的感測器必須採用超緊湊尺寸，Amphenol 的 ST0147-00-011-A 會是不錯的選擇，其屬於 2.4 GHz 表面黏著式晶片天線。尺寸僅有 3.05 x 1.6 x 0.55 mm，可直接安裝在裝置的印刷電路板上。Wi-Fi 存取點 (AP) 則是較大型裝置的範例之一。可針對天線提供充足的空間，同時滿足良好收訊範圍和高吞吐量的需求。Amphenol 的 ST0226-30-002-A 外接式鞭形天線是不錯的選擇 (圖 1)。

圖 1：ST0226-30-002-A 外接式鞭形天線適用於雙頻 Wi-Fi 存取點等應用。(圖片來源：Amphenol)

在確認工作頻段和外形尺寸後，後續工作會稍微複雜些。挑選符合功耗、可靠度、範圍和吞吐量規格的天線前，必須先對規格書有一定的瞭解。

原理揭秘

以典型的規格書為例，例如 Amphenol 的 ST0224-10-401-A 的規格書 (圖 2)。這是一款 Wi-Fi 走線的 RF 天線，適用於智慧儀表和工業物聯網 (IIoT) 應用，可直接安裝在內部。規格書中的資訊包括裝置的輻射場型、最大功率傳輸、頻率響應、增益和效率。讓我們瞭解一下這些參數的個別含義。

圖 2：ST0224-10-401-A Wi-Fi 走線 RF 天線可以安裝在內部，適用於智慧儀表和 IIoT 應用。(圖片來源：Amphenol)

輻射場型：此圖形呈現天線如何在 3D 空間中釋放或吸收無線射頻 (RF) 能量。規格書通常會顯示兩至三張的 3D 輻射場型切面圖，一張顯示 XY 平面的峰值輻射，另一張顯示 ZY (和／或 ZX) 平面的峰值 (圖 3)。通常，當天線以其在最終產品中的預定方式安裝後，平面方向會稱為「方位角」(XY 平面) 和「仰角」(與 XY 平面正交，例如，穿過 ZY 平面)。

圖 3：此為 Wi-Fi 走線天線在 XY 平面 (左) 和 ZY 平面 (右) 上的峰值輻射場型。(圖片來源：Amphenol)

全向天線 (如偶極子天線) 是指在所有方向上相對均勻地輻射或接收無線電能量的天線。這適合許多 IoT 應用，因為開發人員通常需要確保裝置之間皆可在任何方向上達到連線。Amphenol 的 ST0224-10-401-A 天線規格表指出，這是一款全向性裝置。

全向天線的缺點在於傳輸能量會在逐漸膨脹的球面表面上耗散，導致訊號強度呈指數級衰減並影響範圍。相較之下，指向天線則使用波束成形等技術，將無線電能量聚焦在特定方向，進而擴大範圍。

最大功率傳輸：當傳輸線的阻抗 (Z₀) 等於天線的阻抗 (Z_a) 時，就會發生此情況。即使使用設計良好的阻抗匹配電路，通常還是會有一些功率會被天線沿著傳輸線反射回來。衡量阻抗值 Z₀ 與 Z_a 之間是否匹配良好的常用指標是電壓駐波比 (VSWR)。VSWR 若為 1，表示沒有阻抗不匹配的損耗，若數字較高則代表損耗增加。

例如，若 VSWR 為 3.0，表示大約有 75% 的功率傳送到天線。反射波與入射波的功率比則稱為回波損耗 (RL)。這能以分貝 (dB) 為單位，來指出反射波功率低於入射波功率的降低情況。VSWR 若低於 1.5 (RL 為 ≈ 14 dB) 就屬於令人滿意的匹配。Amphenol 的 ST0224-10-401-A-10 天線在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段運作時，RL 為 -10 dB。

由於 RL 也取決於無線射頻，因此開發人員應檢查天線的頻率響應，以確保在預定的工作頻段內將 RL 降至最低 (圖 4)。

圖 4：RL 取決於頻率。開發人員應確保天線可在預定的工作頻率下提供最低 RL。(圖片來源：Amphenol)

增益和效率：增益可指出朝峰值輻射方向傳輸的功率多寡，通常以 dB 為單位，並以等向性天線 (dBi) 為基準。增益與天線的指向性和效率有關。指向性可用來測量天線輻射場型的方向性本質。例如，完美全向性天線的方向性為零，指向性為 1 (或 0 dB)。指向性通常會依據輻射場型以峰值的型式標示 (D_max)。在天線的規格書中，增益比起指向性更常標示出來，因為其會將 VSWR 不匹配和能量損耗納入考量。

效率 (η) 是總輻射功率 (TRP 或 P_rad) 對輸入功率 (P_in) 的比率。TRP 的計算方法是對整個輻射場型上發射的功率進行積分。要計算 η，請使用以下公式：η = (P_rad/P_in) * 100%。天線峰值增益為 Gain_max = η * D_max。

增益為 3 dB 的發射天線，在相同的輸入功率下，其輻射的功率是無損等向性天線的兩倍。無損天線是指效率為 0 dB (或100%) 的天線。同樣地，峰值增益為 3 dB 的接收天線，接收的功率會是無損等向性天線的兩倍。回到上述的 Amphenol 範例，2.4 GHz 頻段的峰值增益為 2.1 dBi，5 GHz 頻段的峰值增益為 3.1 dBi。

高增益並非總是好事。如果接收訊號的方向未知，最好使用低增益 (低指向性) 天線，以確保對來自各方向的訊號達到令人滿意的回應。智慧型手機上的天線就是範例之一。需具備低增益，因為與最近的行動基地台來回接收與發射的訊號，皆是任意方向傳輸的。

結論

天線是 IoT 產品的關鍵元件。選擇錯誤可能會大幅折損無線裝置的效能。挑選過程中的某些作業，例如將天線與工作頻率匹配以及挑選適合可用空間的天線，都算輕鬆。挑選正確天線的關鍵在於瞭解規格書中使用的術語，且要特別留意輻射場型、最大功率傳輸、頻率響應和增益。