除了能見度高的消費型智慧型手機之外，5G無線通訊還能滿足多種不同嵌入式應用的需求，例如物聯網(IoT)、機器對機器(MTM)鏈路、智慧電網、自動販賣機、閘道器、路由器、保全和遠端監測連線。然而，5G轉型並非一蹴可及，無線通訊鏈路的前端必須安裝天線，以滿足5G及舊型2G、3G和其他非5G鏈路的需求，因為這些鏈路即使是在5G網路崛起的情況下，仍將在數年內持續使用。
因此，除了可支援5G標準的產品外，工程師還需要設計適用多頻段的產品。即使每個頻段的內部RF前端或功率放大器均不同，將單一廣頻天線用於5G和舊型頻段仍可帶來一些好處。
本文將探討用於低頻段5G頻譜及舊型頻段的廣頻天線，並以Abracon的裝置舉例說明。此外也將說明採用此類天線(無論是外接天線還是內部嵌入式天線)，如何簡化設計與物料清單(BOM)，並在需要升級至5G時帶來安裝便利性。
首先考量管制頻段
天線是RF傳送訊號路徑的最後一個元件，也是互補式接收器路徑中的第一個元件。天線的功用可比作一種感測器，在產生電流和電壓的電路，與包含輻射能量和電磁場的無線射頻之間發揮功用。
挑選適合目標應用的天線時，天線的功能與所使用的調變類型或業界標準無關。挑選天線時所使用的參數，例如中心頻率、頻寬、增益、額定功率或實體大小，皆不取決於天線是用於振幅調變、頻率調變或相位調變(AM、FM、PM)訊號，或用於3G、4G、5G，甚至是專有訊號格式。
當然，在新式應用系統設計中，可支援5G標準的設計得到相當多的關注，尤其是6GHz以下(大多數5G的應用頻率)的5G頻段設計。對於系統所支援的無線標準，以及所使用的頻率和頻譜(這將決定選用何種天線)，兩者之間需要加以區分。
全新的5G標準結合了較高階的調變機制來提高傳輸量，以便運用先前無法使用的頻譜區段，同時利用部分已使用的頻譜區段。因此，雖然業界和電信業者對現有標準的支援將逐步淘汰(或廢除)，例如3G，但3G使用的部分頻譜，仍將用於4G甚至5G當中(表1)。
這意味著支援3G或4G頻段的天線可能仍適用於5G，反之亦然。標準可能會被淘汰，但天線不會，並且天線可以向上/向下相容。在這種情況下，重複使用可支援多種標準和頻段的天線，是相當實用且受到更多人偏好的解決方案。
在600MHz至6GHz的RF頻譜中，其他重要標準包括：
公民無線寬頻服務(CBRS)：為頻寬150MHz且管制較鬆散的區段，頻率介於3,550MHz至3,700MHz(3.5GHz~3.7GHz)。在美國，聯邦通訊委員會(FCC)規定此服務要在三種層級的使用者之間共享，亦即現有使用者、優先接取執照(PAL)使用者，和一般授權接取(GAA)使用者。
LTE-M：為LTE Cat-M1(常稱為CAT M)或長期演進技術(4G)M1類別的縮寫。此技術能讓低工作週期、電池供電型的IoT元件直接連接4G網路，無需閘道器。
窄頻IoT(NB-IoT)：此蜂巢式無線技術採用3G技術的正交分頻多工(OFDM)機制。此項技術為第三代合作夥伴計畫(3GPP)組織的一項計畫(該組織致力於蜂巢式系統的標準化)，旨在滿足資料傳輸率極低之裝置的需求。這些裝置需要連接行動網路，且通常由電池供電。
為避免造成混淆，特此說明「廣頻」和「多頻段」兩術語。「廣頻」是指頻寬占絕大部分中心頻率的天線。雖然這些數字沒有正式的定義，但通常指頻寬至少占中心頻率的20%至30%。相較之下，「多頻段」是指設計用於支援兩個或更多頻段(按法規標準定義)的天線；這些頻段可以間隔很近，也可以相隔很遠。
有個多頻段天線的極端例子，即可同時用於廣播AM(550~1,550kHz)和廣播FM(88~108MHz)的天線。多頻段天線可能為廣頻，但不一定如此。
不管支援的數量、間距和頻寬如何，即使在內部可能包含兩個或多個不同的組合式天線，多頻段天線都只有單一個RF連接。多頻段天線與較簡單的廣頻天線不同，在設計時，實際上可能會在其頻寬範圍內，刻意在增益覆蓋範圍內保留一些間隔，盡量減少共用通道的干擾。
內建或外接天線
設計天線時，天線所適用的無線連線標準並非關鍵問題，但必須將頻率和頻寬納入考量，為實作天線實體時的重要決定因素。這其中有個重要的設計考量，即使用外接天線，或是內嵌於最終產品的天線。
內建天線具有以下特性：
．能讓封裝更加俐落，沒有外部附件，因此不會遭到破壞或鉤破。
．始終處於連接狀態且隨時可用。
．在涵蓋範圍、效率、輻射場型和其他效能標準方面，都有固有的限制。
．內嵌式天線的效能會受到鄰近電路影響，因此其放置的位置與電路板尺寸、布局、元件和整體配置密切相關。
．使用者的手或身體可能導致天線場型、效率和效能發生變化。
相較之下，外接天線則具有以下特點：
．外接天線設計自由度更高，具有更多潛力可客製化輻射場型、頻寬和增益。
．天線不必連接至IoT/RF裝置，並且可以使用同軸纜線，以適當的距離放在最佳位置。
．在產品設計和封裝的電氣方面，天線受到的影響較小，或者完全不受影響。
．有多種樣式和配置可供選擇。
．需要連接器或纜線以進行連接，因此有可能變成故障點。
選擇使用外接天線或內建天線時，通常會考慮多種因素，其中包括最終產品應用和使用者偏好、在天線與效能之間取得平衡，以及在移動或是固定的情況下使用天線。舉例而言，智慧型手機若具有外接天線，看起來可能很詭異。對比之下，固定式IoT節點若使用外接天線且距離稍遠，可能會提供更優異且更一致的連線效果。
多頻段天線的優勢
多頻段天線可滿足現有應用，同時符合未來設計升級的需求，包括5G 連線。不過，如果已知安裝參數和細節，為何還需要考慮這種天線？這有以下幾個好理由：
．單一天線可用於不同頻段的一系列產品，因此可簡化存貨管理與採購工作。
．內建多頻段天線可縮減封裝大小，而外接多頻段天線可減少產品外殼上的天線連接器數量。
．無論是出於效能原因，還是現有頻段和標準逐漸式微，多頻段天線都可以用於IoT裝置，而此類裝置可能(或預計將)升級至新的頻段(例如5G)。
．單一外接式多頻段天線在安裝技術和工具方面具有通用性。
．對於關鍵的固定型應用，尤其是行動型應用，裝置的RF部分可能具有雙頻段支援，能讓裝置在頻段之間動態切換，在指定地區或設定中發揮最佳效能。
．設計人員可在不相關的裝置中使用單一內建多頻段天線，善加利用他們在天線模型建立、放置和可能的生產問題方面的經驗，取得相關效益。
多頻段天線的實際範例
多頻段天線具有廣頻效能，並且在尺寸或端接類型方面不受限制，如以下三個範例所示。
AEBC1101X-S為一款5G/4G/LTE蜂巢式鞭型天線，長度為115mm，最大直徑為19mm，工作頻率介於600MHz至6GHz。該天線隨附標準的SMA公連接器，可旋轉90°，直接安裝在產品外殼上(也可搭配延伸的同軸纜線)，亦提供反轉極性SMA連接器。
在整個頻段中，該天線電壓駐波比(VSWR)和峰值增益效能相當穩定，但在較低和較高頻率範圍間的效率發生變化(表2)。
在整個頻段上的輻射場型則相當圓，在3,600MHz處出現一些小波瓣，並在5,600MHz時稍微變得更加明顯(圖1)。
圖1 AEBC1101X-S的X-Y輻射場型會在3,600與5,600MHz之間變化，出現一些波瓣
圖片來源：Abracon LLC
AECB1102XS-3000S 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT刀型天線也可在600MHz至6GHz間工作，長度為115.6mm，寬度為21.7mm。其RF效能與AEBC1101X-S相似，最大VSWR低於3.5，但峰值增益比等向輻射子略低，為2dBi。X-Y和X-Z平面中的輻射場型也更複雜(圖2)。
圖2 AECB1102XS-3000S刀型天線的X-Z和Y-Z輻射場型顯示出一組比鞭型天線更複雜的波瓣
圖片來源：Abracon LLC
AEBC1101X-S和AECB1102XS-3000S之間有個明顯差別：可用的端接方式。AECB1102XS-3000S刀型裝置標配1m的LMR-100同軸纜線(取代RG174和RG316纜線類型)，與廣泛使用的SMA公連接器進行端接。不過，可用各種長度現成纜線，且除了SMA之外，標準選項也提供其他連接器類型，以保持連接靈活性(表3)。
ACR4006X 600至6,000MHz廣頻陶瓷晶片天線是一種表面黏著式裝置，大小僅40×6×5mm(高)。在實際操作中，此天線需要一個小型電感電容(LC)阻抗匹配網路，該網路由一個8.2nH電感和一個3.9pF電容(每個尺寸皆為0402)組成，以達到所需的50Ω阻抗值(圖3)。
圖3 ACR4006X 600至6,000MHz廣頻陶瓷晶片天線的覆蓋區僅有40×6mm，並且僅需兩個微小的被動元件，即可達到50Ω阻抗匹配
圖片來源：Abracon LLC
ACR4006X規格書指出，該產品屬於600至6,000MHz的裝置，但請注意，其效率、峰值增益和平均增益圖都有一些間隔(圖4)。這是刻意設計的，因為此多頻段天線針對該範圍內三個特定頻段的效能，進行了設計和最佳化：600至960MHz、1,710至2,690MHz和3,300至6,000MHz，以支援3G、4G和5G頻譜配置，以及一些較小頻譜的配置。
圖4 ACR4006X 600至6,000MHz的效率與增益圖顯示多個間隔，但無須擔心，這些間隔並不在3G、4G和5G的工作頻段內
圖片來源：Abracon LLC
ACR4006X的X-Y輻射場型也取決於頻率，但仍然在其廣大頻段上大致保持為圓形，在較低的頻率範圍內，在90°和270°處只有幾個較小的增益下降(圖5)。
圖5 ACR4006X晶片天線的X-Y輻射場型大致為圓形，但在90°和270°處有一些與頻率相關的增益下降
圖片來源：Abracon LLC
評估天線的效能時，首先要從規格書開始，之後通常要使用消音室進行確認，最後再對最終產品進行現場測試。影響外接天線實際效能的因素包括外殼、行動裝置使用者的身體和手，以及天線的位置和放置。實際效能有很大程度與產品的內部電路板布局無關。 相較之下，內建天線(如ACR4006X晶片天線)的效能則會受到相鄰元件和PC板的影響。因此，可使用評估板(如ACR4006X-EVB評估板)，協助進行晶片天線的工程評估。該評估板須搭配向量網路分析器(VNA)使用。對配置進行初始校準(此為大多數VNA測試中的標準步驟)之後，使用板上的SMA連接器，透過VNA的校準連接埠評估天線效能。
評估板的尺寸須精確，以便正確放置晶片天線。ACR4006X-EVB評估板包括天線周圍所必需的45×13mm金屬/離地距離區域，以便正常操作(圖6)。
圖6 ACR4006X-EVB評估板的尺寸僅有120×45mm，可透過SMA連接器評估晶片天線；規格書指出關鍵布局面積和尺寸
圖片來源：Abracon LLC
多頻段天線助攻升級5G
多頻段天線能因應IoT裝置帶來的挑戰，尤其是那些現在需要支援單一頻段的裝置，同時為5G等新式標準提供更順暢的升級路徑。此類天線還可讓系統支援多個頻段，以便在單頻段無法保證連線的區域內，達到效能最佳化。如本文所述，Abracon的電路板安裝式內建天線可促成外型更俐落的封裝，而其外接天線則採用一體式RF連接器或同軸纜線附件，因此可靈活放置，提供極佳訊號路徑。
(本文作者為Digi-Key應用工程經理)