使用坚固耐用的多频段天线应对移动连接挑战

作者：Bill Schweber

除了智能手机和物联网 (IoT) 设备，移动无线连接的另一个主要推动因素是运输应用，包括铁路、卡车和资产跟踪。这些应用对系统天线提出了一系列独特的重要要求，如振动、冲击、极端温度、雨水、湿度，以及需要在宽频带甚至多频段上工作，同时提供稳定的性能。

虽然可以设计制造合适的天线，但在几乎所有具有挑战性的应用中，采用正确设计、精心制造、具备完整特性的现成标准装置是最合理的方式。这样做可以降低成本并缩短开发时间，同时提高对最终设计的信心水平。

本文将探讨与运输天线设计有关的问题。然后介绍 TE Connectivity 的两款多频段天线，设计用于安装在外壳表面，包括基本的“盒子”和可能暴露在外的移动装置。

应用推动实施

天线是电子电路与自由空间电磁 (EM) 场之间的重要转换器，因此往往是设计中暴露最多的元素。然而，它必须采用与整体系统设计兼容的外形尺寸，在恶劣环境条件下也能提供所需的电气和 RF 性能。

对于货运系统，特别是高速客运铁路，天线还必须能轻松集成到空气动力学的外壳中，既具有最小的风阻，又能不受恶劣环境的影响（图 1）。类似限制也适用于资产追踪的情况，在这种情况下，天线必须暴露在外以接收全球导航卫星系统 (GNSS) 的信号。

图 1：现在，火车等移动高速装置因风阻和恶劣的环境而面临严峻的挑战，因为需要能够利用各种标准和频段的移动连接能力。（图片来源：TE Connectivity）

理想的天线是对应用特定特性的精心组合，这些特性包括所需的辐射模式、适当的阻抗匹配、低电压驻波比 (VSWR)、机械完整性、外壳适用性和电气连接便利性。许多情况下，还需要通过使用带有集成低噪声放大器 (LNA) 的有源天线来增强信号路径并使前端信噪比 (SNR) 最大化。

与所有元器件一样，几乎所有天线的设计和安装都需要考虑一些极为关键的参数，以及其他一些在特定情况下比较关键的参数。就天线而言，辐射模式和特定频段下的性能是关键考虑因素。

天线实施原则

对于运输和资产跟踪应用，由于方向的随机变化，天线的定向是一大挑战，因此在整个指定频段内的俯视和侧视方向上具有一致的全向模式非常重要。

例如，TE Connectivity 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 双天线设计用于 698 至 960 兆赫 (MHz) 和 1710 至 3800 MHz 频段，适用于 2G、3G、4G、蜂窝、GSM 和 LTE 应用（图 2）。单天线之所以能有效满足这一系列标准，是因为它与所传递的特定信号格式或所支持的标准无关；其设计主要由频率、带宽和功率决定。

图 2：TE Connectivity 1-2309605-1 是一款单模块产品，包括两根独立的天线，一根用于 698 至 960MHz 频段，另一根用于 1710 至 3800 MHz 频段。（图片来源：TE Connectivity）

请注意，“双”天线不同于“双频”天线。双天线，如 1-2309605-1，在一个壳体内有两根独立天线，每根天线都有自己的馈电；双频天线是有一个馈电的单天线，设计支持两个（或更多）频段。

下面是 1-2309605-1 的低频天线，其俯视和侧视方向的辐射模式在整个带宽内是均匀的，从 700 MHz 左右的低频端，一直延伸到 900 MHz 左右的高频端（图 3）。

图 3：1-2309605-1 在 700、800 和 900 MHz 下的侧视（左）和俯视（右）增益图（分别为上行、中行、下行）显示出相当均匀的辐射模式。（图片来源资料：TE Connectivity）

在 700 MHz（频段低端）下，相对于全向天线的增益分贝 (dBi)——表示天线指向性的标准指标——只有 1.5 dBi，表明辐射模式相当均匀。这种统一性和均匀性有助于实现一致的性能，无论天线方向如何。此外，900 MHz 高频端的辐射模式同样相当均匀，增益仅为 4.5 dBi。

另一个重要的天线参数是 VSWR，其正式定义为最高电压与最低电压之比，或无损传输线上传输和反射电压驻波之比。理想情况下，VSWR 是 1:1。虽然这通常很难实现，但工作在低个位数的 VSWR 下通常是可接受的做法。

1-2309605-1 M2M MiMo LTE 双天线可以处理高达 20 瓦的发射功率，用 3 米 (m) 的 RG174 电缆测量时，一端的最大 VSWR 为 3:1，而在其大部分工作频段则接近 1.5:1（图 4）。一般来说，这对许多目标应用而言已足够低。

图 4：用 3 米长的 RG174 电缆测得 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 双天线的 VSWR （垂直轴）在整个有源频率范围内显示为低值（x 轴）。（图片来源：TE Connectivity）

图 4 中，绿色是低频元件 #1，红色是高频元件 #2，黑色是自由空间中的元件 #1 和 #2，而蓝色是 400×400 毫米 (mm) 接地平面上的元件 #1 和 #2。

共址天线

为了覆盖多个频段，可以将两根或多根单独的天线放在一起。但这会导致几个潜在的问题。首先，一个显而易见的问题是需要面板或其他表面空间和安装件，同时还会产生相关的安装成本。其次，天线之间的电磁相互作用恐会影响其模式和性能；这限制了天线相互之间的放置方式。这种相互作用以天线隔离度来衡量，其定义为一个天线从另一个天线接收辐射的程度。

解决这一难题的办法是使用单天线单元，将多根天线组合在一个壳体或外壳内。从机械角度，这样可减小整体尺寸，简化安装和天线电缆的布线，并呈现出流线型外观。

从电气角度，这意味着可以事先测量和指定天线之间的隔离度，最大限度地减少意外或不可预见的相互作用问题。对于 1-2309605-1 M2M MiMo LTE 双天线，隔离度至少为 15 dB，并朝向该单元所服务的两个频段的中心逐渐增加（图 5）。

图 5：2309605-1 M2M MiMo LTE 双天线模块内的两根天线之间的隔离度（y 轴，dB）为 15 dB 或更高，测量值为频率（x 轴，MHz）的函数。（图片来源：TE Connectivity）

有源接收天线功能

除了 1-2309605-1 双天线所覆盖的两个频段外，许多应用，如资产跟踪，还需要接收来自 GPS（美国）、伽利略（欧洲）和北斗（中国）GNSS 系统的信号以获得位置或时间信息。为了简化这一任务，避免需要另一根外部分立天线，TE 提供了 1-2309646-1。这款产品在双天线单元的两根天线之外增加了第三根天线，仅用于接收 1562 至 1612 MHz 之间的 GNSS 信号。

然而，接收 GNSS 信号的需求为系统设计者带来了另一个挑战，即发射与接收功能的基本要求。用于发射时，天线及其馈线处于确定状态。它们从发射器功率放大器 (PA) 中获取已知、受控且定义明确的信号，并将其辐射出去。几乎不用担心该信号的内部噪声、频段内干扰或 PA 和天线之间的频外信号。

由于适用于所有天线的互易原理，用于发射的物理天线同时也可用于接收。然而，接收的工作条件与发射的工作条件存在很大差异。由于天线是在存在频内甚至频外干扰和噪声的未知情况下试图捕捉信号，因此所需的接收信号会有许多随机特性，而缺乏确定性。

此外，接收到的信号强度较低（在几微伏到几毫伏之间），SNR 也较低。对于 GNSS 信号，相对于一毫瓦 (dBm)，接收到的信号功率通常在 -127 到 -25 dB 之间，SNR 通常在 10 到 20 dB 之间。由于天线和接收机前端之间的电缆损耗，这个微弱的信号会被衰减，而且 SNR 也会因传输电缆中不可避免的热噪声和其他噪声而降低。

鉴于上述原因，1-2309646-1 在其第三根仅接收信号的 GNSS 天线中整合了 LNA 功能。LNA 为 GNSS 信号提供 42 dB 的增益，从而大幅提升接收信号的强度。为简化使用，LNA 采用成熟的叠加技术，通过传输放大 RF 信号的同轴电缆来供电（3 至 5 伏 DC，不超过 20 毫安 (mA)）。

直流电通过接收器单元和 LNB 之间的电缆供应（图 6）。LNA (V1) 的直流电被小型串联电容器（C1 和 C2）阻断，使其无法到达无线电头单元（前端）。这些电容器允许来自天线 (ANT1) 的放大 RF 信号传递到无线电头单元 (OUT)。同时，放大的 RF 信号被串联电感器（扼流圈）L1 和 L2 阻断，无法返回电源 V1。这样一来，LNA 的直流供电以及从 LNA 到无线电头单元的放大 RF 可以共用同一根互连同轴电缆。

图 6：通过巧妙布置电感器和电容器，将直流电和 RF 信号分离并隔离在两端，可以将天线 LNA 的直流供电叠加在承载天线/LNA 输出的电缆上。（图片来源：Electronics Stack Exchange）

建立物理连接

任何天线或天线元件组件都需要以可靠、方便且电气和机械安全的方式，与所服务的无线电前端连接和断开。此外，整个天线组件需要受到保护，不受环境影响，并且易于安装，对安装表面的影响最小。

为了实现这些目标，双频 1-2309605-1 和三频 1-2309646-1 的每个频段都配备了一根 3 米长的 RG-174 同轴电缆，端部采用标准 SMA 插头（图 7）。因此，连接或断开一根或多根天线很简单，不仅可以很容易地在工厂系统组装过程中完成，也可以在现场作为附加组件完成。

图 7：1-2309605-1 和 1-2309646-1 内的每根天线都有自己的 RG-174 同轴电缆，带 SMA 插头端接，可简化安装、连接、测试和需要时的拆卸作业。（图片来源：TE Connectivity）

此外，通过使用单一的内部 18 毫米的安装杆，加上天线外壳底部边缘的丙烯酸胶垫，多天线模块可以轻松固定在系统表面。天线安装快速，安装件不会暴露在外造成生锈、松动或错误扭紧。

这些天线的外壳针对移动、高速运动应用进行了优化。该流线型装置只有 45 mm 宽，150 mm 长，且具有圆形边缘（类似于汽车车顶的“鲨鱼鳍”），以最大限度地降低阻力系数和风阻。此外，外壳采用紫外线稳定材料，可确保暴露在阳光下不会随着时间的推移而削弱外壳的性能。

结语

用于运输应用的移动、高速、多频段无线连接需要能够满足严苛电气、环境和机械目标的天线组件。TE Connectivity 的双天线和三天线模块提供低频段、高频段和可选 GNSS 频段天线，后者还带有内部 LNA。这些产品为每根天线配备了单独的同轴电缆和连接器，并采用简单的表面或面板安装布局，安装简单并提供关键的环境耐用性。