掌握設計準則/技術特性　天線選型解封IoT裝置效能

2024-12-23

Barley Li

天線是IoT裝置設計中不可或缺的關鍵元件，影響產品的無線效能。設計人員需根據應用需求選擇適合的天線，考量參數包括輻射場型、阻抗匹配、頻率響應、效率與增益等。

物聯網(IoT)裝置的激增，不斷加快創新終端產品的設計速度，也激發設計靈感。但設計人員必須謹記，無論在軟硬體上投入多少創意和心力，天線仍是關鍵要角之一。倘若天線無法正常運作，產品效能將大打折扣。

天線是裝置和無線網路之間的橋樑，亦是IoT裝置設計流程中的關鍵零件。天線的發射器會將電能轉換成無線射頻(RF)電磁波，而接收器則會將傳入的RF訊號轉換成電能。設計人員只要挑選符合關鍵工程參數的天線，就能讓應用達到最佳化效能；然而，天線款式之多，加上其他考量因素，設計週期可能陷入延宕且徒增成本。

本文將概述天線在無線IoT裝置中的角色，以及影響天線選擇的關鍵設計條件。接著將以各類型天線為例，說明低功耗藍牙(BLE)或Wi-Fi感測器、具備GNSS衛星定位功能的IoT資產追蹤器、Wi-Fi存取點(AP)與LoRa IoT裝置，分別適合選用何種天線產品。

規格書解讀關鍵參數

天線的最終效能取決於工程決策，例如安裝位置以及阻抗匹配網路的設計。若要達到良好的實作，必須詳閱天線規格書。關鍵參數包括：

・輻射場型：以圖形的方式定義天線如何在3D空間中釋放(或吸收)無線電能量(圖1)。

圖1　輻射場型以圖形呈現天線如何在3D空間中釋放或吸收無線電能量。規格書通常會顯示天線按預期方式安裝時，在XY和YZ平面上的最大覆蓋範圍(圖片來源：Amphenol)

・最大功率傳輸：當傳輸線路阻抗值(Z0)與天線的阻抗值(Za)彼此匹配時，天線和接收器之間能達到有效的功率傳輸。阻抗匹配不佳則會讓回波損耗(RL)增加。電壓駐波比(VSWR)可指出傳輸線路和天線之間的阻抗匹配情況(表1)。VSWR值較高時，功率損耗會升高。對IoT產品而言，VSWR低於2通常是可接受的。

・頻率響應：回波損耗(RL)取決於無線射頻。設計人員應從規格書中查看天線的頻率響應，確保RL在預期的工作頻率下降至最低(圖2)。

・指向性：可用來測量天線輻射場型的方向性本質。最大指向性定義為D_max。

・效率(η)：總輻射功率(TRP或P_rad)與輸入功率(P_in)的比率是根據公式η=(P_rad/P_in)*100%計算得出。

・增益：描述有多少功率朝峰值輻射方向傳輸。其通常參照等向天線，且以dBi表示。計算公式為：增益_max=η*D_max。

阻抗匹配電路提升效能

天線效能不佳會對發射器可將多少電力轉化成輻射能量的能力，以及接收器可從傳入之RF訊號採集多少能量的能力造成限制。任何一端效能不佳都會降低無線網路的覆蓋範圍。

阻抗值是影響天線效能的主要因素。天線的阻抗值與輸入端的電壓及電流有關，當此阻抗值與驅動天線的電壓來源阻抗值明顯不匹配時，能量傳輸效果將差強人意。一款設計得宜的阻抗匹配電路，能讓發射器電源的阻抗值與天線的阻抗值互相匹配，進而將VSWR及隨後的功率損耗降至最低。低功耗IoT產品的阻抗值通常為50Ω。

天線的位置也會大幅影響終端產品的發射功率和接收靈敏度。針對內建天線，設計準則的建議是將其放置在IoT裝置頂端的印刷電路板(PCB)邊緣處，並盡可能遠離其他可能會在運作時產生電磁干擾(EMI)的元件。阻抗匹配元件則屬例外，因為這類元件必須靠近天線。將天線連接到電路其餘部分的電路板墊片和走線，是在指定間隔區內唯一可存在的銅導體(圖3)。

圖3　電路板安裝天線應置於靠近電路板的邊緣處。要規畫一個間隔區，讓天線遠離其他元件(用於阻抗匹配電路的元件除外)(圖片來源：Amphenol)

多頻段應用的天線選擇

天線的選擇在IoT裝置的設計流程中屬於重要環節。天線應針對目標無線介面的RF頻段進行最佳化，例如多頻段的NB-IoT(450~2200MHz)、北美的LoRa(902~928MHz)、Wi-Fi(2.4GHz與5GHz)以及Bluetooth LE(2.4GHz)。

天線採用不同的電氣概念，例如單極天線、偶極天線、迴路天線、倒F形天線(IFA)和平面倒F形天線(PIFA)，每種天線都有其適合的特定應用。另外，還有單端和差動天線。單端天線屬於不平衡型，而差動天線為平衡型。

單端天線會接收或傳輸接地參考訊號，且特性輸入阻抗值通常為50Ω。由於許多RF IC都有差動RF連接埠，若採用單端天線通常需使用轉換器，因為平衡不平衡轉換器會將訊號從平衡型轉換成不平衡型。差動天線的傳輸會利用兩道互補訊號，各在其導體內。差動天線為平衡型，當天線搭配具有差動RF連接埠的RF IC使用時，就無需使用平衡不平衡轉換器。

最後，天線有幾種不同的外型尺寸，例如電路板天線、晶片或塊狀天線、外接鞭型天線和線型天線，適用於各種IoT應用(圖4)。

依據應用挑選配合的天線

實際應用和產品的外型尺寸，是挑選天線時的最終決定因素。如果IoT產品本身空間有限，可在電路板電路中直接加入電路板天線。此類天線採用薄型架構，可提供可靠的RF效能，適合用於2.4GHz應用，例如智慧型家庭裝置(包括照明、恆溫器和安全系統)中的Bluetooth LE或Wi-Fi感測器。儘管如此，電路板天線在設計上仍有棘手之處。

另一種方法是向市面上的廠商購買電路板天線，就可以使用背膠將其連接到電路板上。例如，Amphenol的ST0224-10-401-A Wi-Fi電路板走線RF天線可在2.4~2.5GHz和5.15~5.85GHz頻段中提供全向性輻射場型。天線的尺寸為30×10×0.2mm，阻抗值為50Ω。兩個頻率範圍的RL都小於-10dB，在2.4GHz頻段中的峰值增益為2.1dBi，在5GHz頻段中為3.1dBi，效率分別為77%和71%(圖5)。

圖5 ST0224-10-401-A Wi-Fi電路板走線天線在2.4和5GHz頻段中都展現高效率(圖片來源：Amphenol)

對於空間有限的IoT產品來說，也可選用晶片天線。晶片天線的主要優點在於可節省空間、降低製造成本以及簡化設計流程。自動化設備能將這種小型元件直接安裝在電路板上，適合採用Bluetooth LE或Wi-Fi架構的無線IoT應用。

如上所述，晶片天線的效能受到電路板布局和周圍元件等因素的影響，但天線技術的進步已經可促成高效率裝置。晶片天線適用於眾多應用，從智慧型手機與平板電腦，再到智慧家庭系統和工業感測器等。例如，Amphenol的ST0147-00-011-A屬於2.4GHz電路板表面黏著晶片天線，可在2.4~2.5GHz頻段內提供全向性輻射場型(圖6)。天線的尺寸為3.05×1.6×0.55mm，阻抗值為50Ω。RL小於-7dB，峰值增益為3.7dBi，平均效率為80%。

圖6　ST0147-00-011-A表面黏著晶片天線尺寸小巧，可在XY平面上呈現全向性輻射場型(圖片來源：Amphenol)

如同電路板天線，塊狀天線尺寸小巧，可直接連接在電路板上。典型應用是將天線用於資產追蹤器，或其他具備全球衛星導航系統(GNSS)功能的裝置。GNSS塊狀天線含有一個塊狀元件，該元件裝在介電質基板上，具有高效率可確保天線接收來自多個衛星的微弱GNSS訊號。例如，Amphenol的ST0543-00-N04-U被動式GNSS塊狀天線可在1.575和1.602GHz頻段運作。天線的尺寸為18×18×4mm，阻抗值為50Ω。兩個頻率範圍的RL都小於-10dB，在1.575GHz頻段的峰值增益為-0.5dBi，在1.602GHz頻段則為1.0dBi。效率分別為80%和82%。

外接式鞭型天線，如Wi-Fi AP上的天線，會安裝在IoT裝置外部，以便無線電達到最佳化運作。外接式鞭型天線會擴大訊號範圍、改善訊號品質，以及克服障礙物或干擾，在訊號較弱或訊號受阻的環境中發揮作用，像是遇到家中的牆壁、天花板和家具造成訊號衰減的情況。此類天線有提供直式和旋轉鞭型設計，且每種均附標準RF介面連接，包含SMA、RP-SMA和N型。例如，Amphenol的ST0226-30-002-A 2.4和5GHz SMA RF棒狀天線，對於Wi-Fi AP和機上盒(STB)是不錯的解決方案，可在2.4~2.5GHz和5.15~5.85GHz頻段中提供全向性輻射場型。該天線的直徑為88×7.9mm，阻抗值為50Ω。兩個頻率範圍的RL都小於-10dB，在2.4GHz頻段的峰值增益為3.0dBi，在5GHz頻段則為3.4dBi，效率分別為86%和75%，可提供SMA或RP-SMA插頭連接器(圖7)。

圖7　適用於Wi-Fi AP的ST0226-30-002-A外接式鞭型天線，可提供SMA或RP-SMA插頭連接器(圖片來源：Amphenol)

對於sub-GHz應用，如在868MHz頻段運作的LoRa IoT裝置，就可選用螺旋線天線，其費用低廉且結構簡單。此類天線通常直接焊接在電路板上，並可提供良好的效能；缺點是較笨重，特別是在低頻率下運作時，且相較於一些天線替代方案，效率也相對較低。例如，Amphenol的ST0686-10-N01-U862MHz RF天線(圖8)。該款螺旋線天線可在862~874MHz頻段中運作，阻抗值為50Ω。此天線採用通孔式焊接安裝，最大高度為38.8mm。RL小於-9.5dB，峰值增益為2.5dBi，平均效率為58%。