优化 ISM LPWA 设备中的天线集成

物联网 (IoT) 在工业、消费和医疗设备中的持续普及，再加上新兴的智慧城市和智慧建筑，正在推动着低功率广域 (LPWA) 无线网络使用量的迅速增长。这种情况在美国 915 MHz 、欧洲的 868 MHz 和 169 MHz、亚洲的 433 MHz 的工业、科学和医疗 (ISM) 射频 (RF) 频段尤其如此，这些频段支持 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 等无线协议。

LPWA 设备在不断缩小，并且需要价格低廉、结构紧凑、性能优良的天线。天线地平面问题在 868 MHz 和 915MHz ISM 频段可能会特别麻烦。这些问题可通过使用外加电路、提高设备集成度和更精确的频率调谐来解决，但所有这些措施都会延长开发时间、增加成本。设计者需要能最大限度地减少地平面问题的天线。此外，LPWA 设备通常采用电池供电，需要具有最高的能源效率。天线的选型和集成是高效设计的一个关键。不太理想的天线解决方案会减少电池寿命，导致系统整体性能低劣。

优化链路预算是实现可靠、高效的无线通信接口的关键。天线的选型和集成对链路预算有很大影响。但是，设计或选择一款既具有高效率、高性能，又能解决链路预算和地平面问题的天线是一个复杂的过程。影响链路预算的天线规格包括阻抗、回波损耗、电压驻波比、增益、辐射模式等。确定一款易于集成、外形紧凑、性能优异且能最大限度地减少地平面问题的天线，可以极大地减少工程时间，提高系统整体性能。

本文将描述一款基本的链路预算模型，回顾影响链路预算的关键天线规格，并介绍 Molex 的天线实例，这些天线可以克服地平面问题，有助于优化 LPWA 设备的链路预算。

基本链接预算

无线系统中的链路预算用于测量达接收器的有效射频能量。在该公式中，以分贝米 (dBm) 为单位的发射功率与以分贝 (dB) 为单位的任何增益相加，然后减去同样以 dB 为单位的损失，得出以 dBm 为单位的接收功率。在实际设计中，造成增益和损失的因素有许多。

更深入地研究链路预算

在链路预算中，影响增益和损耗的唯一因素是天线性能。天线效率、增益和辐射模式是天线性能的三个重要方面，通常在无线 (OTA) 暗室中进行测量（图 1）。其他可能影响链路预算的因素是回波损耗 （S11 参数）和电压驻波比 (VSWR)。

图 1：使用 OTA 暗室测量天线效率、增益和辐射模式。（图中的 DUT 表示被测设备）（Molex 提供图片）

天线效率决定了天线的发射率。人们经常使用平均效率，但效率不单单是一个数字。这是一条可以在某种程度上平坦的曲线，具体取决于所考虑的具体天线（图 2）。相比具有更高峰值效率曲线的天线，效率曲线较平坦的天线的最大效率通常较低。

图 2：天线效率曲线可能会大不相同：左边的天线效率曲线比较平坦，右边的天线在 915MHz 时的峰值效率要高 10% 左右。（Molex 提供图片）

与效率一样，天线增益可用平均值或峰值/最大值来衡量。在给定频率下，平均增益是在三维空间的所有角度下测量的，而最大增益是一个单一的工作点。一般来说，平均增益越高越好。

天线辐射模式是增益的一个重要决定因素。在所有方向上辐射相同能量的理论天线被称为各向同性辐射器，其增益为 0dB（单位增益）。真正的天线，即使是所谓的全向设计，也存在非各向同性的辐射模式，且在三维平面上测量时可能会或多或少存在方向性（图 3）。增益为 3dB 的天线在某一方向上的效果是各向同性辐射器的两倍。它使发射器功率或接收器灵敏度在该特定方向上增加一倍。

图 3：不同天线设计的辐射模式也不同，辐射模式在链路预算的计算中可能很重要。这两种天线都被规定为具有全向辐射模式。（Molex 提供图片）

天线设计和周围环境影响辐射模式。数据表中的典型测量值在自由空间环境且周围无干扰的条件下测得。在实际实施中，相对于各向同性 (dBi) 而言，峰值增益将减少 1 至 2 分贝，因为辐射模式会随着周围元件的不同而改变。

回波损耗 (S11) 和电压驻波比 (VSWR) 是从天线反射回射频电路的能量的相关测量值，越小越好（图 4）。S11 ≤ -6 dB 或 VSWR ≤ 3 通常被认为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，没有发生辐射。或者，如果 S11 = -10 dB，当将 3 dB 功率发送到天线时，反射功率为 -7 dB。天线使用的是剩余功率。

图 4：高效率天线（右）在 915MHz 时的回波损耗约为 -14 dB，而效率曲线较平的低效率天线在 915 MHz 时的回波损耗约为 -10 dB。（Molex 提供图片）

VSWR 是反射系数的函数。与回波损耗一样，驻波比越小意味着天线性能越好。驻波比的最小值是 1.0，即天线没有反射功率。可采用阻抗匹配法来最小化 S11 和 VSWR。阻抗匹配会涉及修改天线和射频电路之间的传输线，以提高最大传输能量。阻抗不匹配会导致部分射频功率无法被天线吸收。如果传输线阻抗和天线阻抗之间实现了精确匹配，则天线会吸收全部射频功率。

有些天线的阻抗为 50 Ω，不需要匹配网络。大多数天线需要在传输线中通过阻抗匹配网络来优化天线性能。匹配网络一般需要支持多频段的天线。 需要时，可以由电容、电感或电阻的各种组合来组成匹配网络。

增强天线性能

基本天线由特定长度的导体组成，而且可以通过增加其它元件来提高其性能。例如 Molex 的 MobliquA™ 技术天线。这种天线采用了带宽增强技术（图 5）。MobliquA 技术旨在改善可接受的回波损耗的频率范围，通常被称为“阻抗带宽”。这项技术可以在不影响辐射效率或不增加天线尺寸的情况下将阻抗带宽提高 60% 至 70%。相比传统设计，使用 MobliquA 技术设计的 868MHz 和 915MHz 频段 ISM 天线的体积可减少 75%，而且不需要通过昂贵的电路和频率调谐来解决地平面依赖性问题。

图 5：Molex 的 MobliquA 技术旨在改善阻抗带宽，对插入天线内的金属物体具有高度抗扰性。（Molex 提供图片）

MobliquA 技术天线能够使用射频去耦或接地部件，如连接器的接地外壳。这种天线对插入天线内的金属部件具有较高的抗干扰能力。独特的馈送技术与天线元件的直接接地相结合，为射频前端提供了更强的静电放电 (ESD) 保护。

天线集成

虽然上文讨论的所有电气规格都是天线集成的重要方面，但还需考虑机械连接、天线纳入系统方面的问题。这存在多种可能性。例如，一些天线是焊接到系统中的，而其他天线则包括与系统连接所需的同轴电缆和连接器。下面两节介绍每种全向天线的一些规格。

带同轴电缆和连接器的柔性 ISM 天线

对于需要 868/915 MHz 双频 ISM 天线的应用，设计者可以采用 Molex 的 2111400100 型天线（图 6）。这种单极天线尺寸为 38×10×0.1 mm，采用柔性聚合物材料制成，有一条长 100 mm、外径为 1.13 mm 的微同轴电缆以及一个兼容 MHF 的 U.FL 连接器。这种天线“即剥即贴”，可以固定在任何非金属表面。这类天线的射频功率处理能力为 2 W，工作温度范围为 -40℃ 至 +85℃。该系列还提供 50 mm、150 mm、200mm、250 mm 或 300 mm 电缆长度选择，还可提供定制长度的天线。

图 6：这种双频 ISM 天线具有挠性，通过“即剥即贴”粘合剂固定在系统中。（Molex 提供图片）

一些关键规格如下：

• 效率：868 MHz 时 >55%，902 MHz 时 >60%。
• 峰值增益：868 MHz 时为 0.3 dBi，902 MHz 时为 1.0 dBi
• 辐射模式：全向
• 回波损耗 (S11)：< -5 dB

高效率陶瓷 ISM 天线焊接在 PCB 上

当需要更高的效率时，设计者可使用专门为 ISM 应用设计的 2081420001 陶瓷天线（图 7）。不同的匹配网络可用于两个不同的频段；868 - 870 MHz 和 902 - 928 MHz。其额定工作温度为 -40℃ 至 +125℃，尺寸为 9 x 3 x 0.63 mm。

图 7：通过不同的匹配网络，这种陶瓷天线可以用于两个不同的频段；868 MHz - 870 MHz 和 902 MHz - 928 MHz。（Molex 提供图片）

一些关键规格如下：

• 效率：868 MHz 时为 70%，902 MHz 时为 65%
• 峰值增益：868 MHz 时为 1.5 dBi，902 MHz 时为 1.8 dBi
• 辐射模式：全向
• 回波损耗 (S11)：868 MHz 时 <-10，902MHz 时 <-5

结语

进行天线优化并将其集成到包括 LoRa、Neul、SigFox、Zigbee 和 Z-Wave 物联网协议的 LPWA ISM 应用中，将是一项重要而复杂的任务。为了确保良好的无线性能和更长的电池寿命，必须优化链路预算。它包括许多电气运行规格的权衡和有效阻抗匹配网络的开发。选择天线时，还必须考虑工作环境及其机械和互连要求。