資產追蹤/智慧建築各有訴求　天線系統巧思造就IoT優勢

在充滿不確定性的世界中，技術推動著人們不斷前進。它不僅將身處世界各地的人們相連，更推動解決當今世界最緊迫的問題，創造一個更安全、可持續、生產率更高、更互聯的未來。

物聯網的興起充分證明了這一點。在物聯網系統中，大量具有唯一標識的互連設備透過無線網路傳輸和共用資料。物聯網弭平了現實世界和虛擬世界之間的距離，透過將設備應用於日常環境和任務中，創造出智慧化的環境，推助個人、商業乃至整個社會迎來更智慧、更舒適的生活方式。物聯網正在迅速發展，將為社會帶來無限潛能。

機器對機器(M2M)通訊採用UWB、WLAN、Zigbee、藍牙等低功耗網路傳輸資料，推動著物聯網的普及。NB-IoT、LTE Cat-M等LPWAN技術和5G高效傳輸網路的出現，也加速物聯網的發展。3G和4G網路促進了人與人之間的無線通訊，而5G網路則將連接範圍擴大到「事物」之間，此轉變促使人們開發多樣化的物聯網解決方案，應對各式各樣的產業和環境挑戰。

這個趨勢為各類應用的發展奠定了基礎，進而推動關鍵變革並提高效率。物聯網智慧環境正變得日益多元化：農場可以更容易管理灌溉系統並實現設備維護，大型城市則希望更加有效地管理公用事業計量、道路照明、能源和其他資源管理，並針對其設施和經營執行預測性維護。

物聯網發展預測

從2018到2025年，全球蜂巢式和非蜂巢式物聯網連接數將成長至三倍，總數達到250億；全球物聯網收入將以年均23%的速度成長，到2023年達到1.1萬億美元，是2018年的四倍。而市場調研機構IDC則預計，2021年全球物聯網支出將恢復兩位數的成長，並在2020~2024年的預測期間實現11.3%的年複合成長率(CAGR)。

無線通訊：影響物聯網性能

各類技術突破持續推動物聯網的發展。光纖電纜提供更高頻寬，實現多個無線通道，支援5G高速網路不間斷地傳輸資料。隨著無線接取網路和核心網路更頻繁使用雲端，雲端技術也在影響連接機制的發展。如快速發展的全球雲端無線接取網路C-RAN便十分重視BBU池化和雲端技術的應用。雖然技術不同，但它們都需要高速、大資料量、高密度、可靠且堅固的連接解決方案，以支援物聯網生態系統。

天線對於發射和接收射頻(RF)訊號至關重要。天線需與濾波器和功率放大器共同支援光纖和雲端技術。它們還必須在設備和資料庫之間實現近乎無限的無線連接，同時處理大功率訊號，並在嚴苛的散熱環境下運行。這些特點對於物聯網應用的發展和智慧生態的表現都至關重要。

天線：物聯網應用不可或缺的組成要素

天線在物聯網的發展中扮演重要角色。隨著物聯網生態越來越多地支援高密度、低延遲的網路，並不斷將各種新功能整合於無線電和整體系統布局中，天線系統設計獲得越來越多的重視。不論外置或內嵌的天線都被視為構建物聯網應用不可或缺的解決方案，而非只是個被動元件。

關於使用多種天線來配合5G網路並支援物聯網應用，市場上已有許多案例。主動式天線系統(AAS)通常被用於擴大無線資料流程的容量和覆蓋範圍，也可以將射頻電子元件與大規模陣列天線更加緊密地整合在一起，以實現小型化並提高效率。

另一種AAS—高階天線系統也越來越普及。該系統將天線陣列與硬體及軟體緊密整合，能夠適應更高的系統複雜性。它具有更高的可操作性，能使天線輻射方向適應快速時變的資料量和多重路徑的無線電傳輸環境；而更多的天線將帶來更高的資料傳輸速度，此為物聯網發展的關鍵。

關鍵在於選擇合適天線與客製化解決方案

隨著天線系統設計日益複雜，以及5G支援頻段的增加，為智慧設備選擇天線變得更具挑戰性。系統設計不能依靠那些「隨插即用」的產品選項，而需要更加成熟的規畫及針對所有連接需求的整體評估。在各類物聯網應用中，天線解決方案往往需要客製化，並且需要在手機大小的設備中嵌入2~12個天線產品。這些天線必須管理不同的備援和服務，同時彼此獨立運行。此外，在系統設計中實現天線的互相隔離需要一定的技巧。

在為商業、工業或現實世界的物聯網應用設計天線系統時，還需要注意—它們必須能夠在安全網路上運行。儘管有多種天線可支援Wi-Fi、藍牙和GPS應用，但對於能夠支援物聯網關鍵特徵的蜂巢式天線需求仍與日俱增。例如，無線流量的指數級成長帶來了越來越多的干擾，使得頻譜效率變得至關重要。因此天線必須能夠處理頻寬問題，而蜂巢式天線可以滿足這一要求。

天線類型

・蜂巢式LTE/5G/NB-IoT/CAT-M

・GNSS

・Wi-Fi/藍牙/Zigbee/ISM

・LPWAN和RF附件

物聯網天線的要求

・高效、乾淨無干擾的資料傳輸和優秀的續航能力

・高品質傳輸：沒有干擾及雜訊造成訊號中斷

・惡劣環境耐久性：堅固的設計，能夠耐受乾燥和潮濕的環境

・緊湊的設計(小型化)

・多頻運行：支援更多頻寬並相容全球蜂巢式網路

・更短的開發週期：降低成本

此外，蜂巢式天線還需滿足市場所需的關鍵認證、符合相關監管標準。其一，需符合全球範圍內各蜂巢式營運商的技術規範，GSMA和3GPP制定的標準。其二，需通過多輪監管機構的測試和批准，如美國聯邦通訊委員會(FCC)、歐洲電信標準協會(ETSI)和無線電設備指令(RED)。

以上技術和市場需求清楚地表明，物聯網應用亟需創新和安全的天線系統。天線設計工程師必須充分瞭解天線在各種技術和監管協議條件下如何運行。無論如何，「壞」天線的時代已經結束。

智慧應用中的天線系統設計指南

如上所述，物聯網蓬勃發展正在塑造一個智慧化的環境。本文聚焦於實際應用情景，具備高效收集資料的能力和專業知識，可幫助開發可持續的物聯網解決方案。至於工程師該如何為物聯網應用設計智慧天線系統，協助客戶選擇較合適的天線解決方案？以下將聚焦物聯網的兩大趨勢應用—汽車及運輸業是智慧追蹤應用重要的市場和智慧建築為地產科技產業中發展迅速的市場之一來進一步闡述。 如泰科電子(TE)工程師便研究以上兩大應用領域中，客戶面臨的市場問題、挑戰和要求，以協助客戶開發較佳的解決方案。無論是智慧追蹤還是智慧建築，在資料管理及保護、備用電池性能需求方面，都有明確的標準。其他相關標準還涉及安裝工作、硬體升級、通訊、設備診斷和耐候性措施，因為天線的運行環境會影響其功能。

發展趨勢一：智慧追蹤

智慧追蹤市場不斷擴大，為希望進入該領域的公司提供了龐大的市場機遇(圖1)。全球汽車及運輸業的兩個主要領域—車載資訊通訊和車載診斷系統(OBD)正在經歷顯著成長，越來越多的企業涉足這兩大應用相關產品的開發。智慧追蹤還可用於實物資產追蹤，應用場景包括運輸以及全球物流分配。另一成長領域是物聯網資產追蹤市場，據估計將占所有企業和工業物聯網解決方案的93%。在開發智慧追蹤應用時，客戶必須考慮諸多技術挑戰和需求，以設計最佳天線系統(表1)。

2020~2024年，全球商用車載資訊通訊市場規模預計將成長231.5億美元。美國、德國、中國和加拿大占據主要市占率，其中亞太地區有望實現顯著成長。而到2024年，全球資產追蹤市場規模將達到320億美元，年均複合成長率為14.9%。到2024年，資產追蹤細分領域—嵌入式設備人工智慧的全球市場規模將成長28.2%。

以下假設一個情景：某專注於全球追蹤的物聯網初創企業，在自己的設備中納入了各種天線，結果設備變得更大、更重、更貴。雖然他們採用晶片天線，但仍無法提供精確的追蹤資料，也滿足不了複雜的射頻要求，上述兩個問題大幅影響了設備性能。

天線系統設計新要求包含客製嵌入式天線，支援5G連接，使客戶能夠構建可重複使用的智慧系統(更像是一部手機，而非物聯網設備)，用於即時包裹追蹤；減輕天線重量，降低主機板的成本和尺寸，同時提高性能；在主機板上安裝表面黏著元件(SMD)天線，使整個設備成為天線解決方案的一部分；製造流程高效、可重複；打磨設計以延長電池續航時間，重新配置主機板布局進而妥善安排射頻組件、使接地面積最大化，這是無線電能夠正常運作、避免干擾的一項關鍵技術。

天線和射頻元件往往是系統設計中最容易被低估的部分，而具有天線和射頻專業知識的工程師可以闡明滿足物聯網產品的技術要求。

發展趨勢二：智慧建築

智慧建築已成為「地產科技」產業中發展最快的技術之一(圖2)。所謂「地產科技」是指將資訊技術和平台經濟學應用於房地產領域。儘管智慧建築的主要市場驅動力是人們對於能源利用效率的日益關注，也不乏其他因素，例如：安全、建築管理和環保生活。在建造智慧建築時，設計者必須解決各式各樣的技術挑戰，設計最合適的天線系統並選擇較佳的天線產品(表2)。

2020年建築物聯網(BIoT)市場規模預計將超過850億美元(2014年為229億美元)，到2023年，智慧建築無線控制系統的全球收入預計將達到4.34億美元(2014年為9,700萬美元)。

以下假設一種情景：一家房地產開發商在某大城市建造一幢智慧建築，以大幅提升建築管理水準並為租戶提供便利。該建築物設計滿足了產業重要的安全和監控標準，能提供即時的能源報告，進而提高效率、降低成本，同時採用預測性維護模式來避免問題。其平面圖設計包含智慧照明、空氣品質監測和智慧停車功能。網路安全也被視為一個非常重要的問題，因為智慧建築更容易受到網路攻擊。 智慧物聯網應用的天線設計需求包含：

・MIMO天線組合：

幫助高品質的無線伺服器提供不間斷的、擴展的覆蓋範圍，無縫銜接的多重用戶體驗，以及從室外到室內的蜂巢式網路服務。

・嵌入式天線：

支援智慧室內攝影機和使用雲端的自動存取控制系統，包括可客製化的憑證系統，例如：行動應用、個人化鑰匙卡、智慧鑰匙，以及發送至手機的連結。

・3D天線組合：

可即時監控電表、水表和煤氣表，降低能源成本、提高能源效率、確保能源供應和減少碳排放。

・LPWAN天線：

支援即時雲端視覺化，比如即時警報和影像監控，以便遠距離監控和保護建築物。

・堅固的板載3D天線：

有助於將各種智慧節能技術整合到網路中心，將照明、溫度、濕度等各項控制功能集合，發送資料至雲端。

・完善蜂巢式天線編碼標準和滲透測試工作

確保天線性能，發布軟體安全更新，修補新漏洞。

智慧建築需要一種全面的解決方案來滿足總體的聯網需求，包括多種天線系統設計，以發揮各種物聯網應用的功能，同時大幅減少網路攻擊的威脅。

隨著物聯網應用日益普及，人們的生活和工作迎來了巨大變化，同時也將針對不同的智慧環境開發各式各樣的智慧應用。無論用於什麼產業，這些應用都擁有一個共同點：需要天線系統設計和高品質的天線產品，以實現無縫、無限的無線通訊。

(本文由泰科電子提供)