優(yōu)化 LPWA 設備鏈路預算的天線實例分析

　　物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 在工業(yè)、消費和醫(yī)療設備中的持續(xù)普及，再加上新興的智慧城市和智慧建筑，正在推動著低功率廣域 （LPWA） 無線網(wǎng)絡使用量的迅速增長。這種情況在美國 915 MHz 、歐洲的 868 MHz 和 169 MHz、亞洲的 433 MHz 的工業(yè)、科學和醫(yī)療 （ISM） 射頻 （RF） 頻段尤其如此，這些頻段支持 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 等無線協(xié)議。

　　LPWA 設備在不斷縮小，并且需要價格低廉、結構緊湊、性能優(yōu)良的天線。天線地平面問題在 868 MHz 和 915MHz ISM 頻段可能會特別麻煩。這些問題可通過使用外加電路、提高設備集成度和更精確的頻率調諧來解決，但所有這些措施都會延長開發(fā)時間、增加成本。設計者需要能最大限度地減少地平面問題的天線。此外，LPWA 設備通常采用電池供電，需要具有最高的能源效率。天線的選型和集成是高效設計的一個關鍵。不太理想的天線解決方案會減少電池壽命，導致系統(tǒng)整體性能低劣。

　　優(yōu)化鏈路預算是實現(xiàn)可靠、高效的無線通信接口的關鍵。天線的選型和集成對鏈路預算有很大影響。但是，設計或選擇一款既具有高效率、高性能，又能解決鏈路預算和地平面問題的天線是一個復雜的過程。影響鏈路預算的天線規(guī)格包括阻抗、回波損耗、電壓駐波比、增益、輻射模式等。確定一款易于集成、外形緊湊、性能優(yōu)異且能最大限度地減少地平面問題的天線，可以極大地減少工程時間，提高系統(tǒng)整體性能。

　　本文將描述一款基本的鏈路預算模型，回顧影響鏈路預算的關鍵天線規(guī)格，并介紹 Molex 的天線實例，這些天線可以克服地平面問題，有助于優(yōu)化 LPWA 設備的鏈路預算。

　　基本鏈接預算

　　無線系統(tǒng)中的鏈路預算用于測量達接收器的有效射頻能量。在該公式中，以分貝米 （dBm） 為單位的發(fā)射功率與以分貝 （dB） 為單位的任何增益相加，然后減去同樣以 dB 為單位的損失，得出以 dBm 為單位的接收功率。在實際設計中，造成增益和損失的因素有許多。

　　更深入地研究鏈路預算

　　在鏈路預算中，影響增益和損耗的唯一因素是天線性能。天線效率、增益和輻射模式是天線性能的三個重要方面，通常在無線 （OTA） 暗室中進行測量（圖 1）。其他可能影響鏈路預算的因素是回波損耗 （S11 參數(shù)）和電壓駐波比 （VSWR）。

圖 1：使用 OTA 暗室測量天線效率、增益和輻射模式。（圖中的 DUT 表示被測設備）（Molex 提供圖片）

　　天線效率決定了天線的發(fā)射率。人們經常使用平均效率，但效率不單單是一個數(shù)字。這是一條可以在某種程度上平坦的曲線，具體取決于所考慮的具體天線（圖 2）。相比具有更高峰值效率曲線的天線，效率曲線較平坦的天線的最大效率通常較低。

圖 2：天線效率曲線可能會大不相同：左邊的天線效率曲線比較平坦，右邊的天線在 915MHz 時的峰值效率要高 10% 左右。（Molex 提供圖片）

　　與效率一樣，天線增益可用平均值或峰值/最大值來衡量。在給定頻率下，平均增益是在三維空間的所有角度下測量的，而最大增益是一個單一的工作點。一般來說，平均增益越高越好。

　　天線輻射模式是增益的一個重要決定因素。在所有方向上輻射相同能量的理論天線被稱為各向同性輻射器，其增益為 0dB（單位增益）。真正的天線，即使是所謂的全向設計，也存在非各向同性的輻射模式，且在三維平面上測量時可能會或多或少存在方向性（圖 3）。增益為 3dB 的天線在某一方向上的效果是各向同性輻射器的兩倍。它使發(fā)射器功率或接收器靈敏度在該特定方向上增加一倍。

圖 3：不同天線設計的輻射模式也不同，輻射模式在鏈路預算的計算中可能很重要。這兩種天線都被規(guī)定為具有全向輻射模式。（Molex 提供圖片）

　　天線設計和周圍環(huán)境影響輻射模式。數(shù)據(jù)表中的典型測量值在自由空間環(huán)境且周圍無干擾的條件下測得。在實際實施中，相對于各向同性 （dBi） 而言，峰值增益將減少 1 至 2 分貝，因為輻射模式會隨著周圍元件的不同而改變。

　　回波損耗 （S11） 和電壓駐波比 （VSWR） 是從天線反射回射頻電路的能量的相關測量值，越小越好（圖 4）。S11 ≤ -6 dB 或 VSWR ≤ 3 通常被認為是可接受的最小性能水平。如果 S11 = 0 dB，那么所有的功率都被反射了，沒有發(fā)生輻射。或者，如果 S11 = -10 dB，當將 3 dB 功率發(fā)送到天線時，反射功率為 -7 dB。天線使用的是剩余功率。

圖 4：高效率天線（右）在 915MHz 時的回波損耗約為 -14 dB，而效率曲線較平的低效率天線在 915 MHz 時的回波損耗約為 -10 dB。（Molex 提供圖片）

　　VSWR 是反射系數(shù)的函數(shù)。與回波損耗一樣，駐波比越小意味著天線性能越好。駐波比的最小值是 1.0，即天線沒有反射功率?？刹捎米杩蛊ヅ浞▉碜钚』?S11 和 VSWR。阻抗匹配會涉及修改天線和射頻電路之間的傳輸線，以提高最大傳輸能量。阻抗不匹配會導致部分射頻功率無法被天線吸收。如果傳輸線阻抗和天線阻抗之間實現(xiàn)了精確匹配，則天線會吸收全部射頻功率。

　　有些天線的阻抗為 50 Ω，不需要匹配網(wǎng)絡。大多數(shù)天線需要在傳輸線中通過阻抗匹配網(wǎng)絡來優(yōu)化天線性能。匹配網(wǎng)絡一般需要支持多頻段的天線。 需要時，可以由電容、電感或電阻的各種組合來組成匹配網(wǎng)絡。

　　增強天線性能

　　基本天線由特定長度的導體組成，而且可以通過增加其它元件來提高其性能。例如 Molex 的 MobliquA? 技術天線。這種天線采用了帶寬增強技術。MobliquA 技術旨在改善可接受的回波損耗的頻率范圍，通常被稱為“阻抗帶寬”。這項技術可以在不影響輻射效率或不增加天線尺寸的情況下將阻抗帶寬提高 60% 至 70%。相比傳統(tǒng)設計，使用 MobliquA 技術設計的 868MHz 和 915MHz 頻段 ISM 天線的體積可減少 75%，而且不需要通過昂貴的電路和頻率調諧來解決地平面依賴性問題。

　　MobliquA 技術天線能夠使用射頻去耦或接地部件，如連接器的接地外殼。這種天線對插入天線內的金屬部件具有較高的抗干擾能力。獨特的饋送技術與天線元件的直接接地相結合，為射頻前端提供了更強的靜電放電 （ESD） 保護。

　　天線集成

　　雖然上文討論的所有電氣規(guī)格都是天線集成的重要方面，但還需考慮機械連接、天線納入系統(tǒng)方面的問題。這存在多種可能性。例如，一些天線是焊接到系統(tǒng)中的，而其他天線則包括與系統(tǒng)連接所需的同軸電纜和連接器。下面兩節(jié)介紹每種全向天線的一些規(guī)格。

　　帶同軸電纜和連接器的柔性 ISM 天線

　　對于需要 868/915 MHz 雙頻 ISM 天線的應用，設計者可以采用 Molex 的 2111400100 型天線（圖 6）。這種單極天線尺寸為 38×10×0.1 mm，采用柔性聚合物材料制成，有一條長 100 mm、外徑為 1.13 mm 的微同軸電纜以及一個兼容 MHF 的 U.FL 連接器。這種天線“即剝即貼”，可以固定在任何非金屬表面。這類天線的射頻功率處理能力為 2 W，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃。該系列還提供 50 mm、150 mm、200mm、250 mm 或 300 mm 電纜長度選擇，還可提供定制長度的天線。

圖 6：這種雙頻 ISM 天線具有撓性，通過“即剝即貼”粘合劑固定在系統(tǒng)中。（Molex 提供圖片）

　　一些關鍵規(guī)格如下：

　　效率：868 MHz 時 》55%，902 MHz 時 》60%。

　　峰值增益：868 MHz 時為 0.3 dBi，902 MHz 時為 1.0 dBi

　　輻射模式：全向

　　回波損耗 （S11）：《 -5 dB

　　高效率陶瓷 ISM 天線焊接在 PCB 上

　　當需要更高的效率時，設計者可使用專門為 ISM 應用設計的 2081420001 陶瓷天線（圖 7）。不同的匹配網(wǎng)絡可用于兩個不同的頻段；868 - 870 MHz 和 902 - 928 MHz。其額定工作溫度為 -40℃ 至 +125℃，尺寸為 9 x 3 x 0.63 mm。

圖 7：通過不同的匹配網(wǎng)絡，這種陶瓷天線可以用于兩個不同的頻段；868 MHz - 870 MHz 和 902 MHz - 928 MHz。（Molex 提供圖片）

　　一些關鍵規(guī)格如下：

　　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

　　輻射模式：全向

　　回波損耗 （S11）：868 MHz 時 《-10，902MHz 時 《-5

　　結語

　　進行天線優(yōu)化并將其集成到包括 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的 LPWA ISM 應用中，將是一項重要而復雜的任務。為了確保良好的無線性能和更長的電池壽命，必須優(yōu)化鏈路預算。它包括許多電氣運行規(guī)格的權衡和有效阻抗匹配網(wǎng)絡的開發(fā)。選擇天線時，還必須考慮工作環(huán)境及其機械和互連要求。