服務(wù)于低頻帶5G頻譜以及傳統(tǒng)頻帶的寬帶天線

本文以Abracon LLC的說明性單元為代表，探討了服務(wù)于低頻帶 5G 頻譜以及傳統(tǒng)頻帶的寬帶天線。文中展示了如何使用這種類型的天線（無論是看得見的外置單元還是內(nèi)置的嵌入式單元）來簡化設(shè)計和物料清單 (BOM)，以及在需要時加快到 5G 的升級安裝。

除了隨處可見的消費者智能手機之外，基于 5G 的無線鏈路還能滿足多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，例如物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、機對機 (MTM) 鏈路、智能電網(wǎng)、自動售貨機、網(wǎng)關(guān)、路由器、安全和遠程監(jiān)控連接等等。然而，向5G 的這一轉(zhuǎn)變過程不可能一蹴而就。這就需要在無線通信鏈路的前端使用天線，以滿足 5G 以及傳統(tǒng)的 2G、3G 和其他非 5G 鏈路的需求；在未來幾年里，即使 5G 應(yīng)用急劇增加，其他這些鏈路也會繼續(xù)與之并存。

鑒于這些原因，工程師在設(shè)計產(chǎn)品時，除了支持 5G 標準的頻帶之外，還要兼顧其他頻帶。即使每個頻帶的內(nèi)置射頻前端或功率放大器是不同的，使用一個寬帶天線同時服務(wù)于 5G 和傳統(tǒng)頻帶也有諸多好處。

電源軌管理的挑戰(zhàn)

從監(jiān)管頻帶開始

天線既是射頻發(fā)射信號路徑的最后一個元件，也是互補接收器路徑的第一個元件。天線的功能是成為兩個世界之間的變送器，即由電流和電壓構(gòu)成的電路世界與由輻射能量和電磁場構(gòu)成的射頻世界。

針對目標應(yīng)用選擇天線時，需要記住的重要一點是，天線的工作方式與要使用的調(diào)制類型或行業(yè)標準無關(guān)。選擇天線時會使用一些參數(shù)，如中心頻率、帶寬、增益、額定功率和物理尺寸，但無一取決于天線是會用于振幅、頻率或相位調(diào)制（AM、FM、PM）信號，還是 3G、4G、5G 甚至專有信號格式。

當(dāng)然，在新興應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計中，能支持 5G 標準的設(shè)計當(dāng)前得到大量的關(guān)注，特別是大多數(shù) 5G 活動所在的 6 GHz 以下的 5G 頻帶。務(wù)必將系統(tǒng)支持的無線標準與決定天線選擇的頻率和頻譜區(qū)分開來，這一點非常重要。

新的 5G 標準不僅使用以前不可用的頻譜段，同時還通過納入更高級別的調(diào)制方案來利用已在使用的頻譜部分來獲得更高的吞吐量。因此，雖然行業(yè)和運營商對現(xiàn)有標準的支持可能會逐步遭到淘汰（或“沒落”），如 2022 年的 3G 標準，但 3G 所用的頻譜部分仍將用于 4G 甚至 5G 標準（圖 1）。

圖 1：600 與 6000 MHz 之間的頻率支持多種標準，如 3G、4G 和 5G，并且存在一些頻譜重疊。（圖片來源：Abracon LLC） 這意味著支持 3G 或 4G 頻帶的天線可能對 5G依然適用，反之亦然。該標準可能已經(jīng)沒落，但其天線卻不會沒落，可能具有向前/向后的天線兼容性。在上述每種情況下，重復(fù)使用支持多個標準和頻帶的天線都是一種實用且通常可取的解決方案。

600 MHz 至 6 GHz 射頻頻譜內(nèi)的其他重要標準包括：

公民寬帶無線電服務(wù) (CBRS)，介于 3550 MHz 至 3700 MHz 范圍內(nèi)（3.5 GHz 至 3.7 GHz）、寬度為 150 MHz 的寬松監(jiān)管頻帶。在美國，聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 已指定在三個層次的用戶之間共享這一服務(wù)：現(xiàn)有用戶、優(yōu)先接入許可證 (PAL) 用戶和一般授權(quán)接入 (GAA) 用戶。

LTE-M，這是 LTE Cat-M1（通常稱為 CAT M）或長期演進 (4G) 類別M1 的縮寫。利用這項技術(shù)，低占空比的電池供電型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無需使用網(wǎng)關(guān)即可直接連接到 4G 網(wǎng)絡(luò)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 是一種在 3G 范圍內(nèi)使用正交頻分復(fù)用 (OFDM) 的蜂窩級無線技術(shù)。它是由第三代合作伙伴計劃（3GPP，蜂窩系統(tǒng)標準化的支持組織）提出的一項計劃，用以滿足需要連接到移動網(wǎng)絡(luò)，而且往往采用電池供電的極低數(shù)據(jù)率設(shè)備的需求。

以下是一條關(guān)于術(shù)語“寬頻”和“多頻”的說明，因為這兩者之間可能存在混淆和歧義?！皩掝l”是指天線的帶寬占其中心頻率的相當(dāng)大一部分。雖然這個數(shù)字并沒有正式的定義，但非正式地講，通常意味著至少為中心頻率 20% 至 30% 的帶寬。相比之下，“多頻帶”是指天線的設(shè)計可以支持監(jiān)管標準所定義的兩個或更多個頻帶；這些頻帶可能間距很近，也可能相隔甚遠。

多頻帶天線的一個極端例子是可同時用于廣播 AM（550 至 1550 kHz）和廣播 FM（88 至 108 MHz）的天線。多頻帶天線可能但不一定是寬帶天線。

無論其支持的頻帶數(shù)量、間距和帶寬如何，多頻帶天線都只有一個射頻連接，即使在內(nèi)部它可能是由兩個或更多個不同的組合天線構(gòu)成。與較簡單的寬帶天線不同，多頻帶天線的設(shè)計實際可能會在整個帶寬的增益覆蓋上故意留出間隙，以最大限度減少同道干擾。

內(nèi)置還是外置天線

天線所用的無線連接標準并非天線設(shè)計的問題，但頻率和帶寬讓天線的物理實現(xiàn)成為一項重要的設(shè)計決策，因此也是絕對需要考慮的因素。其中一項主要的設(shè)計考慮是，使用外置天線還是嵌入到最終產(chǎn)品的內(nèi)置天線。

內(nèi)置天線具有以下屬性：

它們使封裝更加時尚，沒有可能造成斷裂或鉤掛的外部附件

嵌入式天線始終保持連接且可用的狀態(tài)

它們在覆蓋范圍、能效、輻射模式和其他性能標準方面存在固有的限制

嵌入式天線的性能將會受到相鄰電路的影響，因此它的放置與電路板的尺寸、布局、元件和整體布置密切相關(guān)

用戶的手或身體可能會引起天線模式、效能和性能的變化

相比之下，外置天線則具有以下特征：

它們在輻射模式、帶寬和增益的定制方面擁有更多的潛力，因為它們具有更大的設(shè)計自由度

它們不必連接到物聯(lián)網(wǎng)/射頻單元上，并可以通過使用同軸電纜保持適當(dāng)?shù)木嚯x，實現(xiàn)最優(yōu)定位

它們受產(chǎn)品設(shè)計和封裝的電氣方面影響較小，或者根本不受其影響

它們有多種風(fēng)格和配置可供選擇

它們需要一個連接器或電纜進行連接，而這可能成為一個故障點

選擇外置天線還是內(nèi)置天線，通常是根據(jù)多個因素決定的。其中包括最終產(chǎn)品的應(yīng)用和用戶偏好、與性能的平衡，以及天線將用于移動還是固定場景。例如，帶有外置天線的智能手機可能被認為是拙劣的設(shè)計。相比之下，固定位置的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點搭配外置且距離可能稍遠的天線，有可能提供更好、更穩(wěn)定的連接。

多頻帶天線的好處

多頻帶天線可以滿足現(xiàn)有的應(yīng)用需求，同時也為面向未來的升級設(shè)計（包括 5G 連接）提供了保障。但是，如果安裝參數(shù)和具體細節(jié)都是已知的，為什么還要考慮這樣的天線呢？下面是幾個很好的理由：

可以將一根天線用于面向不同頻帶的一系列產(chǎn)品，因而簡化了庫存管理和采購

內(nèi)置的多頻帶天線可實現(xiàn)更小的封裝，而外置的天線則減少了產(chǎn)品外殼上的天線連接器數(shù)量

多頻帶天線可以為有可能或預(yù)期會升級至新頻帶（例如 5G）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供服務(wù)，不論升級是由于性能原因，還是由于現(xiàn)有頻帶和標準的廢止所致

適用于多個頻帶的單一外置天線保持了安裝技術(shù)和工具的通用性

對于關(guān)鍵的固定應(yīng)用，尤其是移動應(yīng)用，設(shè)備的射頻部分可以提供雙頻支持，允許設(shè)備在不同的頻帶之間動態(tài)切換，從而在給定的地點或環(huán)境獲得最佳性能

設(shè)計人員可以在不相關(guān)的設(shè)備中使用單個內(nèi)置的多頻帶天線，并憑借他們的經(jīng)驗在天線建模、放置和可能的生產(chǎn)問題方面獲得效益

真實的多頻帶天線示例 盡管寬帶性能各異，但多頻帶天線在外形尺寸或端接類型方面并無限制，以下三個示例說明了這一點。

AEBC1101X-S是一款 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線，其長度為 115 mm，最大直徑為 19 mm，設(shè)計為在 600 MHz 至 6 GHz 范圍內(nèi)工作。它配備一個標準的公頭 SMA 連接器，可以旋轉(zhuǎn) 90° 以便直接安裝在產(chǎn)品外殼上（也可以與同軸延長電纜搭配使用）；還可以使用反極性 SMA 連接器。

圖 2：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線設(shè)計為在 600 MHz 至 6 GHz 范圍內(nèi)工作，并配備一個可旋轉(zhuǎn) 90° 的整體式 SMA 同軸連接器。（圖片來源：Abracon LLC）

其電壓駐波比 (VSWR) 和峰值增益性能在整個頻帶上相當(dāng)穩(wěn)定，但在低頻和高頻范圍之間存在能效變化（圖 3）。

圖 3：AEBC1101X-S 5G/4G/LTE 蜂窩鞭形天線在其低端（600 至 960 MHz）和高端（1400至 6000 MHz）范圍內(nèi)存在適度的性能變化。（圖片來源：AbraconLLC）

整個頻帶上的輻射模式近乎圓形，其中 3600 MHz 頻率下出現(xiàn)了一些小波瓣，這在 5600 MHz 頻率下變得更明顯一些（圖 4）。

圖 4：AEBC1101X-S X-Y 輻射模式在 3600 MHz 和 5600 MHz 之間發(fā)生變化，出現(xiàn)了一些波瓣。（圖片來源：Abracon LLC）

AECB1102XS-3000S5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT 刀片天線也適用于 600 MHz 至 6 GHz 的工作頻率，其尺寸為 115.6 mm 長 × 21.7 mm 寬，具有厚度僅為 5.8 mm 的纖薄外形（圖 5）。該天線適合在平坦的表面使用膠帶進行簡易、便捷的安裝。

圖 5：AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NBIOT/CAT 刀片天線也適用于 600 MHz 至 6 GHz 工作頻率，是一種外形扁平的天線，適合在平坦的表面使用膠帶進行便捷的安裝。（圖片來源：Abracon LLC）

該天線的射頻性能與 AEBC1101X-S 相似，最大 VSWR 低于 3.5，但峰值增益為 2 分貝，略低于全向輻射器 (dBi)。X-Y 和 X-Z 平面的輻射模式也更加復(fù)雜（圖 6）。

圖 6：AECB1102XS-3000S 刀片天線 X-Z 和 Y-Z 輻射模式顯示了一組比鞭形天線更復(fù)雜的波瓣。（圖片來源：Abracon LLC）

AEBC1101X-S 和AECB1102XS-3000S 之間的一個顯著差別是可用的端接。AECB1102XS-3000S 刀片單元標配 1 m 長的 LMR-100 同軸電纜（取代了 RG174 和 RG316 電纜類型），并端接廣泛使用的公頭 SMA 連接器。不過，幾乎任何長度的電纜均可以進行訂購，而且 SMA 之外的其他連接器類型也能作為標準選項提供，以實現(xiàn)靈活的連接（圖 7）。

圖 7：AECB1102XS-3000S 的標準同軸電纜端接了公頭 SMA 連接器，但許多其他連接器也可供選擇。（圖片來源：Abracon LLC）

ACR4006X600 至 6000 MHz 寬帶陶瓷貼片天線是一種尺寸僅為 40 × 6 × 5 mm 的表面貼裝器件。在工作時，它需要一個微型電感器-電容器 (LC) 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個 8.2 nH 的電感器和一個 3.9 pF 的電容器（均為 0402 尺寸）構(gòu)成，以實現(xiàn)所需的 50 Ω 阻抗（圖 8）。

圖 8：ACR4006X 600 至 6000 MHz 寬帶陶瓷貼片天線的基底面僅為 40 × 6 mm，只需要兩個微型無源元件實現(xiàn) 50 Ω 阻抗匹配。（圖片來源：Abracon LLC）

ACR4006X 的規(guī)格書顯示，它是一個 600 至 6000 MHz 的器件，但請注意，其能效、峰值增益和平均增益圖具有一些間隙（圖 9）。這是有意為之的，因為這種多頻帶天線是針對該范圍內(nèi)的三個特定頻帶（600 至 960 MHz、1710 至 2690 MHz 和 3300 至6000 MHz）而設(shè)計并進行了性能優(yōu)化，以支持 3G、4G 和 5G 分配，以及一些更小的頻譜分配。

圖 9：ACR4006X 在 600 MHz 至6000 MHz 范圍內(nèi)的能效圖和增益圖顯示存在間隙，但用戶無需擔(dān)心這些間隙，因為它們不在 3G、4G 和 5G 工作頻帶內(nèi)。（圖片來源：AbraconLLC）

由于 ACR4006X 不適用于 GPS 接收器，因此其在 GPS 載波頻率 1575.42 MHz（L1 載波）和 1227.6 MHz（L2載波）沒有指定的性能。

ACR4006X 的 X-Y 輻射模式也是頻率的函數(shù)，但它在整個寬頻帶內(nèi)仍然保持大致的圓形，只有在低頻率范圍的 90° 和 270° 有一些適度的增益下降（圖 10）。

圖 10：ACR4006X 片式天線 X-Y 輻射模式大致為圓形，但在 90° 和 270° 有一些與頻率相關(guān)的增益下降。（圖片來源：Abracon LLC）

評估天線的性能從規(guī)格書開始，隨后通常使用消聲室進行確認，最后使用最終產(chǎn)品進行現(xiàn)場測試。影響外置天線實際性能的因素包括外殼、移動設(shè)備的用戶身體和手，以及天線的位置和放置。它在很大程度上與產(chǎn)品的內(nèi)部電路板布局無關(guān)。

相反，像 ACR4006X 片式天線這樣的內(nèi)置單元的性能則會受到相鄰元件和 pc 板的影響。為此，Abracon 提供了ACR4006X-EVB評估板，作為加快該片式天線工程評估的手段。

該評估板與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 結(jié)合使用。在對配置進行初始校準后（這是大多數(shù) VNA 測試的標準步驟），通過 VNA 經(jīng)校準的端口，使用板上的 SMA 連接器來評估天線性能。

該評估板具有精確的 120 × 45 mm 尺寸，以方便正確地放置片式天線。它包括天線周圍必要的 45 × 13 mm 金屬/接地間隙區(qū)域，以實現(xiàn)正常操作（圖 11）。

圖 11：ACR4006X-EVB評估板的尺寸僅為 120 × 45 mm，方便通過其 SMA 連接器來評估片式天線；規(guī)格書顯示了關(guān)鍵布局區(qū)域和尺寸。（圖片來源：AbraconLLC）

總結(jié)

多頻帶天線可化解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備面臨的諸多挑戰(zhàn)，特別是那些當(dāng)前需要支持單一頻帶，同時還要針對 5G 等更新標準提供更順暢的升級途徑的設(shè)備。這些天線還讓系統(tǒng)能夠支持多個頻帶，以優(yōu)化在單一頻帶無法保證連接的區(qū)域的性能。如圖所示，安裝在電路板上的 Abracon 內(nèi)置天線可實現(xiàn)更時尚的封裝，而其使用整體式射頻連接器或同軸電纜附件的外置天線則提供了靈活的放置，可實現(xiàn)最佳信號路徑。