超级互连世界中的无线物联网挑战（英语）

Tyler Kern（00:00）：

欢迎来到CONNECTED World。这是一个专为工程师们创立的播客，可以带领他们深入了解影响互连世界的热门话题，突破局限、创造美好未来的技术。

Tyler Kern（0:15）：

大家好，欢迎来到TE Connectivity的播客“Connected World”。我是Tyler Kern。非常感谢大家收听本期节目。今天，我们邀请到了TE Connectivity射频解决方案的产品管理经理Christian Koehler。他将带领我们探讨超级互连世界中的无线物联网挑战。Christian，非常感谢您能来到我们的节目。

Christian Koehler（00:35）：

也非常感谢您，感谢您的邀请。非常荣幸能够参加这次节目。

Tyler Kern（0:39）：

Christian，我非常期待您能就今天的话题给我们一些专业的分析和洞见。在先前的节目中，我已经就一个问题请教过多位专家了。今天，我还是想以这个问题作为开场——当前无线物联网世界面临的最大挑战是什么？

Christian Koehler（0:53）：

这是一个很大的问题。我要从一些全球性的挑战开始。之所以称它们为全球性挑战，因为它们属于覆盖层面的技术挑战。比如说无线物联网，物联网设备。它们通常需要覆盖某一领域，比如

NFT效率。今天我们通常要求的是数据速率，以及其他与无线技术相结合的技术特性。这是技术上的挑战。然后还有商业上的挑战，比如服务质量。您可能听说过超可靠性、低延迟通信。这些是对服务质量的要求。因此，物联网通常要求很短的延迟，以及非常快速的无线服务响应。在某些应用中，服务质量的重要性正在日益提升。接下来是安全。想想我们周围所有的互连设备，它们都必须保持安全，任何时候都不能受到黑客攻击，为实现安全，必须不断地升级。

Christian Koehler（2:03）：

这样的例子不胜枚举。最后，也同样重要的是，成本和可伸缩性是商业挑战中的两个重要参数，而第三个则是生态系统。生态系统是最受期待、最具远见的解决方案。例如，当我们将市场从本地扩展到其他地区时，生态系统将为设备提供全球覆盖或互操作的条件。为此，我们构建了增强移动宽带，随之产生的挑战是每秒10千兆甚至更高的数据速率。它还产生了海量机器类通信。这里的“海量”通常意味着一平方公里内有一百万或两百万台设备。这种通信通常要求超可靠、低延迟。还有一些可供客户和开发者选择的无线标准，一些短距离、低功耗的区域标准。还有一种传统的手机标准。

Christian Koehler（3:16）：

根据您要覆盖的地区以及您的能耗和数据速率要求，您可能需要从中选择适合这个特定应用的标准。现在我们还面临着非常强劲且呈指数级增长的无线通信。这意味着它会变得越来越拥挤，但是频谱中并没有很多新的频带，至少任何低于6千兆赫的频谱是这样的。只有几个新的频率可以[免受]干扰。所以，随着流量的指数增长，到处都存在干扰，就像是空气中的一场竞争，争夺最好的连接。天线的设计也存在复杂性。是指什么呢？天线通常不同于常规的无源元件，或者不同于大多数常规的无源元件。天线需要不同的配置方式。

Christian Koehler（4:22）：

而人们倾向于避免这种复杂性，甚至忽略这种复杂性。有一种趋势是，人们将任何天线看作类似电容器或电阻器这样的元件。下一个常见的挑战是对射频要求的理解。那么，我如何知道天线是否足够好呢？我如何知道它是否可以满足今天的要求呢？更重要的是，面对持续的指数级增长，信道中不断出现更多的干扰，那么它能否满足明天的要求？以及更多的要求？将功能高度集成到物联网设备中是我们面临的另一项挑战。

Christian Koehler（5:04）：

许多关键性能指标在为之竞争。所以，我的设备要有最大的电池。我还想要最大的显示屏，还有最大的天线。这些设备中经常会有一场持久的斗争，以争取最好的折衷方案。这也带来电力消耗的问题，也就是我提到过的“性价比”。我们面临的另一项重大挑战是市场经验。不仅是初创公司需要经验，那些过去没有接触过无线服务的成熟企业同样需要经验。突然之间，我们需要无线连接，需要集成设备。它的复杂程度不言而喻。我想说的是，太过松散或太过简单就会产生问题。

Tyler Kern（6:00）：

对，确实如此。所以，现在市场上存在很多很多的挑战，这个行业的工程师也面临着很多挑战。其中，您提到了频率、拥塞、复杂性的提升，等等。Christian，您如何看待工程师们面临的这种挑战局面？这些挑战会促使我们产生哪些创新，以帮助我们在将来解决这些问题？

Christian Koehler（6:23）：

如果我们深入研究这个行业，就会发现最先进的工程团队在智能手机这种手持设备领域，也就是无线手持设备，包括平板电脑、甚至笔记本电脑。他们要为这些设备研发天线。这并不是什么巧合。任何一个拥有数十年经验的业内人士都知道必须考虑哪些重要因素。所以，这些团队的确了解如何设计天线，而且不出差错。他们能够很快地找到一个非常好的折衷方案，但通常情况下，客户要求实现无线服务。他们从未这样做过，而市场上成百上千的所谓标准天线让人相信数据表没有说谎。从我的经验来看，这一切都是真的。接受射频数据。当然，天线

Christian Koehler（7:34）：

不能仅仅作为射频数据库和数据表的中继，如果电容器等其他无源组件一样。数据表为天线提供的数据通常是正确的。但是，它就好比自由空间中测得的参考平面图。所以，使用数据表是一种很危险的，但却经常被采用的方法。我们从目录中选择一个天线，把它放在天线板上，然后开启天线板上，但它却不工作。这时就可能出现麻烦或者发现问题。物联网应用通常要求小型且价格低廉的天线。我们需要最小的天线、最便宜的天线。我们经常会在心里想一个微不足道的问题：“什么是便宜的？”

Christian Koehler（8:30）：

回到手机上来，想想那些设计手机的团队。有些团队试图把天线做得尽可能大，但是又不得不考虑成本。那么与连通性不够好的廉价天线相对立的是什么呢？我们经常看到，天线几乎在新设备的设计周期末期才得到部署。此时，它们被挤在设备的其他组件之间，而这些组件需要通过无线

服务进行升级。所以，基于对设备的了解，有一部分天线通常不是很完善。基于我们在手机领域

积累的数十年经验，TE得出了一种整体方法，可以解决这些挑战——我称之为噪音挑战设备。它

们通常很小；必须满足严格的定制要求。它们的电池通常必须高效。它们有大电池、大显示屏，

等等。所以，就天线的功能来说，每个方面都存在矛盾，而这一微小的空间里还要部署6个、7

个，甚至8个天线。所以，这就是TE团队能够提供的支持。我们看到，其他竞争者所提供的方

法往往没有针对特定的手机天线进行调整和定制。

Tyler Kern（9:58）：

Christian，您刚刚提到，天线的部署常常在设计周期的尾声，因此它们被挤在其他部件之间。在您看来，应该在设计周期的哪个阶段考虑天线位置和部署？

Christian Koehler（10:18）：

这是一个非常好的问题。AT&T等公司对此有一些明确说明。我认为，一个新设备的开发包含三个关键要素或是一个设计周期。首先，定义用例，对射频需求有一个清楚的了解。例如，高清监控摄像头需要一个全方位的面板，这通常需要强信号。所以，好的解决方案可能会使用两个或三个天线来运行MIMO系统，以达到良好的吞吐量利用率和能效监测，它们一天也许仅需传输几个字节的数据，也许需要传输数千字节。它们由电池驱动，要求可能完全不同，所以天线需要非常非常高效。对我来说，第二个关键要素是准备一个链路预算，以了解这个领域的最坏情况。一个设备即使能够在实验室里运行良好，也并不意味着它可以在信号衰减的田野和农村地区保持同样的性能。

Christian Koehler（11:26）：

问题在于，我们是否有足够的裕量，以保证达到所要求的性能？第三个关键要素是对设备条件的考虑和理解。设备的大小是怎样的？设备的组件、其他天线、发射罐、电池是怎样的？变压器也必须在天线附近，这样才会产生影响。这三个要素代表了天线设计的复杂程度，同时也清楚地表明，天线的设计不能放在设计周期的最后阶段。是的。[应该在产品设计之初，甚至更早的阶段。]通常情况下，即使我们在产品周期开始时就考虑天线设计，随着设备的机械变化，我们必须不断地验证产品设计与天线性能受到的潜在影响的关联，可能还需要及时做出调整。

Christian Koehler（12:30）：

接下来我想谈谈功率计。早期，为了进行远程控制、远程监控，需要在功率计上安装LTE天线。一切都很完美。系统支持精确，接地平面也很精确。天线位置完美。而在设计过程中，一个超级电容必须移动几毫米才能看到天线，而这完全扼杀了低波段的性能。后来，我们又花了一段时间来查找根本原因。所以说，这种设备设计上的微小变化可能会产生非常显著的影响。所以我要再次强调，我们应该在设计周期中尽可能早地讨论天线的部署。

Tyler Kern（13:23）：

Christian，我们曾经谈论过天线的性能如何受其位置的影响。您又提到了一个例子，天线的低波段性能受附近部件等因素的影响而被削弱。所以，请再详细为我们介绍一下嵌入式天线的性能指标。天线性能是如何测量的？其原理是怎样的？

Christian Koehler（13:49）：

关于成功的集成式或嵌入式天线设计，我不想过多地谈论外部天线，因为它们很容易实现，而且它们的测量和性能指标都是可预测、可重复的。但是，嵌入式天线并非如此。在为无线设备进行内嵌天线的设计时，往往需要进行大量的测量，以量化天线在实际产品中的性能。在一个自由空间里测量天线，然后将其实现到设备中，等待它发挥同样的作用——这是没有意义的。因此，我们提出了一些性能指标，如带宽。带宽非常重要，它与天线的设计和位置相关。另一个指标当然是增益。现在很多人都在追求高增益，但天线不是。天线要求点对点连接，所以它的增益应该很小，比如0 dBi或2 dBi。

Christian Koehler（14:56）：

所以，增益很小意味着全方位性能非常好。很多物联网设备面对的是随机的运行环境，没有人可以事先预测它的环境。我的网关、与物联网设备有关的接入点可能在前面、后面、右边、左边……物联网设备要全方位地、完美地运行。如果一个天线存在增益、控制和隔离——对，不能漏掉隔离，如果需要多个天线，那么它们不应该相互影响或相互干扰。最重要、最简单的就是效率。抱歉，我的声音有点低，你们可能已经看出来或听出来了。所以，虽然我的带宽没有问题，增益没有问题，隔离没有问题，但效率却不好。这就很难理解了。

Christian Koehler（16:02）：

所以即使存在很多干扰，我也要和这些干扰竞争，用足够大的声音抵消这些干扰。所以，我们看到，效率是嵌入式天线的最重要的测量参数之一。有一种稳定峰值额定效率的方法，即无论发生什么，紧密集成附近的存在潜在影响的其他组件。因此，天线需要作为无线电和传播媒介之间的转换器。如果天线受到影响，设备就无法发出声音。

Christian Koehler（16:41）：

我想基于一个最坏的场景来解释下这种情况。我们有个客户把天线调得非常好，带宽具有超强的隔离性。所以，天线不会互相干扰。这个天线不是打印机天线。这个客户的打印机外部涂了含有金属成分的油漆。这相当于为打印机制作了一个含有清漆的金属外壳。实际上，这形成了一个法拉第笼。所以，天线的所有参数都很完美，一切都调整好了，但是效率为零，打印机没有像预期的那样工作。只是一个法拉第笼的简单影响，就抹消了所有其他参数。

Tyler Kern（17:29）：

这个事例非常有趣。这绝对是一场实物教学。也就是说，当设备的某些方面不起作用时，要么是出现了干扰，要么是因为你的声音低沉，听不清。我认为这种讲解方式非常好，尤其是在播客这种收听媒介上。所以，我认为这非常好。关于效率，您谈了很多，那么电压驻波比（VSWR）和效率的区别是什么？

Christian Koehler（17:54）：

我很高兴您能提出这个问题。VSWR是一种衡量负载与传输线的特性阻抗匹配的指标。也就是说，当无线电或射频模块的阻抗为50欧姆时，天线在这个频率内的阻抗也应为50欧姆。这时就是最佳VSWR，即VSWR接近于1，这是理想的情况。此时如果使用短接而不是天线，那么情况可以达到无限的完美。这是最好的情况。另一方面，VSWR可以用于测量和调整天线。只需一个网络分析仪您就可以看到天线的效率有多好。它可以告诉我很多关于天线性能的指标，告诉我它运行良好，与测量曲线非常匹配。

Christian Koehler（18:53）：

这为您提供了关于天线特性的基础信息。然而，在一个全封闭、所有组件都在内部的设备中，甚至是出现其他噪音源的情况下，比如接口对天线产生干扰，效率测量就完全是另一回事了。天线效率基于与总辐射的比较。在简单的应用中，需要多长时间才能把电源输入到互联网终端上？所以，如果天线的效率是10%，那么由射频模块传输的90%的射频功率会转化为热量或其他东西，但不会辐射到空气中。因此，10%实现了辐射，而90%转化成了热量。这不是我们经常想要的结果，对吧？我们想让它发挥天线的作用。所以问题在于如何将它做得更好。要确定我的天线效率，我们需要一个消音室，最好是一个Timo室，一种支持环绕消音的消音室。

Christian Koehler（20:04）：

我们又有一个声调表，用于测量立体辐射模式，但需要耗费一些时间。这是辐射对功率的集成。它只是一种提供效率的立体辐射模式。当网络中不存在此设备时，分析器可以检查天线的基础，但它无法告知我的效率，也无法告知终端设备的传输和接收性能。

Christian Koehler（20:37）：

所以针对这些参数，我们需要一个消音室。它们都是为了效率而配置的，它们需要与一个完全安装在设备（且该设备的所有组件应安装完好）中的天线相匹配。那么，如果效率为零该怎么办？您可以想象一下，设备没有无线连接，顾客表示不满。如果设备在实验室中的效率足够好，而在最恶劣的场景下表现不好，那么同样可能招致客户的不满。所以，效率测量可以很好地显示出性能，无线性能在某一领域的预期。

Tyler Kern（21:23）：

非常棒。Christian，我们今天的节目即将进入尾声。但是，我想再给您一些时间。关于天线和物联网，还有什么您想介绍的吗？或者您想对行业的现状做些什么总结吗？如果有，我们洗耳倾听，我把时间交给您。

Christian Koehler（21:48）：

有一个经常出现的问题——窄带。大众通常认为，窄带物联网服务通常提供安全的服务，需要注册和购买许可的责任窄带。有时这是对窄带的一种误解。我们需要窄带天线是因为，在使用非常规的LTE天线的情况下，窄带物联网常常会中断。即使窄带服务本身运行的带宽是200千瓦，这也不意味着它是窄带天线。因此，用于窄带物联网的天线基本上是一个LTE天线，LTE天线的实现通常需要正确的波段，比如670兆瓦的发射功率、2.2或2.7千兆赫的频率或非常轻的波段。

Christian Koehler（22:43）：

要把它们很好地结合起来，通常需要很多经验、很多技能。这只是我想提的一点。因此，窄带物联网听起来容易，但窄带物联网蜂窝天线的实现与单波段天线或Viola服务相比，比如面向蓝牙的868、915或916 MHz的LoRa、2.4 GHz、Wi-Fi等，通常需要更谨慎的方法。在节目最后我想说，天线是一个非常重要的连接器。

Christian Koehler（23:27）：

我们是一个专注互连的企业，对吗？对我来说，天线是无线设备最重要的连接器。它是一个关键的组件。而且，我们的合作伙伴不仅要有可用的设备，而且要有能力集成天线并对它们进行调整，这样才能成功地将嵌入式天线集成到无线设备中。可以这样理解，整个设备其实是天线的一个部分。很有可能是这样的。所以，在我看来，不能在设计周期结束时才部署天线。它必须在一开始就设计好。我们有时会发现，在认证实验室里修复天线问题非常耗时且耗费财力。

Christian Koehler（24:11）：

因此，这就是TE connectivity的独到之处——使用专业方法实现高性能的嵌入式和外部天线解决方案。我通常把天线称为天线解决方案，而不仅仅是一个组件。它的使命是满足指数级增长的无线通信需求。我想说，在过去的20年里，TE工程师一直在为最具挑战性的应用开发天线解决方案。同时，我们非常愿意与客户合作，使天线的开发更加简单便利，哪怕它超级复杂。无线快乐！

Tyler Kern（24:54）：

非常棒。这位是Christian Koehler，TE Connectivity射频解决方案产品管理经理。Christian，非常感谢您今天和我们一起探讨无线物联网在超级互连世界中所面临的挑战，以及天线解决方案，等等。感谢您的参与。

Christian Koehler（25:11）：

我很荣幸，Tyler。非常感谢！

Tyler Kern（25:15）：

谢谢您！非常感谢！也要感谢今天收听本期节目的所有听众。能为大家带来这些知识，我们感到非常欣慰。当然，您也可以回访我们往期的节目，以及期待后续的精彩。所以，请一定要订阅我们的苹果播客或Spotify，我们还有更多精彩节目，敬请期待。我是主持人Tyler Kern。感谢您的聆听！