在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)終端或車(chē)載通訊模塊時(shí)，經(jīng)常遇到一個(gè)尷尬局面：板子上同時(shí)需要4G LTE和GPS定位，但空間只夠放一個(gè)天線。如果塞兩個(gè)獨(dú)立的陶瓷天線，互相之間的隔離度常常搞到人頭疼。業(yè)界通常給出的方案是——組合天線（Combination Antenna），比如這次要聊的AECA0801C01S-3000S，來(lái)自Abracon，歸類(lèi)在射頻天線門(mén)下。它把LTE和GPS兩個(gè)頻段集成在一個(gè)封裝里，免去了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩副天線耦合的苦惱。
組合天線的工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)
這類(lèi)天線本質(zhì)上是個(gè)多饋點(diǎn)輻射體。LTE頻段（通常覆蓋698-960 MHz和1710-2690 MHz）和GPS L1頻段（1575.42 MHz）被設(shè)計(jì)成共享同一片金屬結(jié)構(gòu)，但通過(guò)隔離槽或陷波結(jié)構(gòu)把各自的諧振區(qū)隔開(kāi)。內(nèi)部走線會(huì)在饋點(diǎn)附近做阻抗變換，確保兩個(gè)端口在各自頻段內(nèi)回波損耗足夠低——GPS那一路一般要求駐波< 1.5，LTE可以放寬到2.0左右。
結(jié)構(gòu)上，有采用陶瓷燒結(jié)成型的，也有用FR4多層板印刷的。AECA0801C01S-3000S從型號(hào)后綴看，大概率是SMD貼片封裝，這種工藝一致性比手工焊接外置天線好很多。但要注意，組合天線最怕的就是兩個(gè)端口之間的隔離度不夠，GPS接收信號(hào)本來(lái)就弱（-130 dBm量級(jí)），如果LTE發(fā)射時(shí)泄漏到GPS端口，接收機(jī)前端直接就飽和了。
關(guān)鍵參數(shù)解讀：不只是看頻段
| 參數(shù)名 | 數(shù)值 | 工程意義說(shuō)明 |
|---|---|---|
| 工作頻率 | 需查閱 datasheet | 決定是否能覆蓋目標(biāo)運(yùn)營(yíng)商頻段，如Band 1/3/5/8等 |
| 峰值增益 | 需查閱 datasheet | 天線輻射效率的體現(xiàn)，每增加1dBi等效提升約25%發(fā)射距離 |
| 效率 | 需查閱 datasheet | 低于40%的設(shè)計(jì)通常會(huì)造成通信鏈路余量不足 |
| 阻抗 | 50 Ω（典型值） | 射頻系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)阻抗，失配會(huì)引起反射損耗，降低傳輸功率 |
| 極化方式 | 需查閱 datasheet | GPS要求圓極化以接收衛(wèi)星信號(hào)，LTE多采用線極化 |
上面這些參數(shù)里，經(jīng)驗(yàn)上最容易出問(wèn)題的是效率。很多工程師只盯著增益看，忽略了效率——實(shí)際上增益可以靠方向圖湊出來(lái)，但效率低（比如只有30%）意味著天線像是個(gè)加熱器，功率全浪費(fèi)了。拿GPS來(lái)說(shuō)，L1頻段1575.42 MHz被Wi-Fi諧波干擾時(shí)，如果天線效率再掉到20%以下，搜星速度會(huì)慢到讓人懷疑人生。
選型時(shí)的具體判斷方法
別光看datasheet上的頻段覆蓋圖。手邊有VNA的話，第一步拿S11掃一遍，看看-6 dB帶寬是不是完整包住了目標(biāo)頻段。LTE低頻段（700-800 MHz）對(duì)天線尺寸特別敏感，組合天線那個(gè)LTE端口如果電壓駐波比在低頻端超過(guò)3.0，說(shuō)明匹配沒(méi)做好，需要評(píng)估板上環(huán)境。
第二步測(cè)隔離度（S21）。GPS端口和LTE端口之間，隔離度最好低于-25 dB。實(shí)測(cè)下來(lái)不少組合天線在兩個(gè)端口靠得太近時(shí)隔離只有-15 dB，這意味著LTE發(fā)射時(shí)20 dBm的功率漏到GPS前端，除非你加SAW濾波器，否則GPS接收機(jī)直接就癱瘓了。
第三步——也是很多人會(huì)跳過(guò)的——看輻射方向圖。GPS天線需要上半球覆蓋好（仰角5°以上），如果組合天線的GPS增益集中在水平方向，頂上卻有個(gè)坑，那裝在車(chē)頂?shù)奶炀€在城區(qū)高架橋下面搜星會(huì)非常吃力。
典型應(yīng)用場(chǎng)景的工程要點(diǎn)
車(chē)載T-Box是這類(lèi)組合天線最經(jīng)典的戰(zhàn)場(chǎng)。模組既要跑4G Cat.4數(shù)據(jù)流，又要實(shí)時(shí)上報(bào)GPS坐標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)要注意天線下方必須凈空，不要鋪銅，否則寄生電容會(huì)把諧振頻率拉偏。如果結(jié)構(gòu)上非得在PCB背面放金屬支架，建議把天線抬高5 mm以上，或者用泡沫墊支撐。
在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域（比如資產(chǎn)追蹤器），外殼通常是塑料的還好說(shuō)，但有些用戶會(huì)噴導(dǎo)電漆，相當(dāng)于給天線外面套了個(gè)法拉第籠——輻射效率直接跳水。這時(shí)候更推薦用外置鞭狀天線而非貼片式的AECA0801C01S-3000S。如果要堅(jiān)持用貼片方案，必須保證外殼內(nèi)側(cè)做局部開(kāi)窗或貼天線區(qū)域不導(dǎo)電處理。
同類(lèi)型號(hào)橫向?qū)Ρ葏⒖?/h2>
| 型號(hào) | 主要差異特征 | 適用場(chǎng)景參考 |
|---|---|---|
| AECA0801C01S-3000S | LTE+GPS組合，SMD封裝 | 車(chē)載T-Box、追蹤器、便攜設(shè)備 |
| AEWE0301E-0100A | 外置式，可能對(duì)應(yīng)Wi-Fi頻段 | 路由器、CPE終端 |
| APRG2512F01 | 陶瓷封裝，尺寸更小 | 智能穿戴、對(duì)功耗敏感設(shè)備 |
| APAMS-104-101 | GPS專(zhuān)用有源天線 | 高精度定位、測(cè)繪設(shè)備 |
從對(duì)比能看出來(lái)，組合天線在空間受限、同時(shí)需要兩種服務(wù)時(shí)是最優(yōu)解，但代價(jià)是單端口性能不如專(zhuān)用天線。如果你的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求GPS靈敏度優(yōu)于-147 dBm，那可能得分開(kāi)用兩顆有源天線，中間加LNA。
常見(jiàn)的工程坑與調(diào)試建議
踩過(guò)的坑里，最典型的就是天線貼板后駐波飆升。很多人忽略了下方的地平面大小——組合天線的地平面不單純是“接地”而是作為輻射體的鏡像部分。如果地平面小于40×40 mm，低頻段的輻射效率會(huì)斷崖式下跌。調(diào)試時(shí)不要執(zhí)著于天線本身，反而應(yīng)該檢查饋線走線：50 Ω微帶線在FR4上對(duì)線寬要求極嚴(yán)，差0.2 mm特性阻抗可能跳到60 Ω以上。
還有一個(gè)容易被忽視的問(wèn)題：LTE發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的諧波正好落在GPS頻段內(nèi)。即便天線隔離度做得再好，如果PA輸出的二次諧波沒(méi)抑制干凈，還是會(huì)通過(guò)空間耦合進(jìn)GPS端口。解決辦法是在LTE路徑上加低通濾波器，或者在GPS路徑上插一個(gè)1575 MHz帶通濾波器——后者在成本上更可控。
選型總結(jié)與場(chǎng)景結(jié)論
回到AECA0801C01S-3000S這顆料，它在中等密度布板的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備里是個(gè)穩(wěn)妥的選擇。如果你手頭的項(xiàng)目對(duì)GPS靈敏度要求不是極端苛刻（比如-142 dBm以上），且LTE只用到Band 1/3/8這些主流頻段，那么組合天線能省下一顆天線位和昂貴的隔離設(shè)計(jì)成本。但要是產(chǎn)品需要過(guò)嚴(yán)苛的E-mark或FCC 15B認(rèn)證，強(qiáng)烈建議在打樣階段就把天線廠家的評(píng)估板拿來(lái)，用網(wǎng)絡(luò)分析儀跑一遍全頻段S參數(shù)——?jiǎng)e等項(xiàng)目試產(chǎn)了才發(fā)現(xiàn)匹配沒(méi)到位，那時(shí)候改結(jié)構(gòu)換方案，代價(jià)就不是幾百塊錢(qián)的事了。
