Baha Badran, Taoglas, San Diego, Calif.

想象一下，在这个世界上，天线会“消失”，与周围环境完美融合。透明天线正在将这一概念变为现实。本文探讨了为大批量生产而设计和制造透明天线所涉及的技术复杂性和方法，强调了射频设计原理、材料科学、物理学、机械工程和先进制造工艺之间的相互作用。透明天线应用广泛，从汽车天窗到电动汽车（EV）充电显示屏，还有更多应用有待开发。本文通过揭示这种隐形技术背后的艺术、科学和魔法，旨在激发进一步的进步，为未来的隐蔽连接铺平道路。

什么是透明天线？

透明天线由透明导电薄膜制成，人眼几乎看不到。这些超薄柔性天线被放置在透明的非金属表面上，如玻璃、塑料或其他透明材料上，允许光线穿过而不妨碍可见度。天线的透明性使其可以隐蔽放置，并允许将其放置在各种表面上，而这些表面以前是不适合或无法使用其他类型的天线的。典型的应用包括玻璃表面，如汽车和商业运输车的窗户、屏幕和天窗、电动汽车充电和停车位数字标牌和显示屏以及销售点自助终端。

Taoglas 目前提供六种不同的 Taoglas Invisible Antenna™ 产品组合。TFX 系列可单独使用，也可定制组合使用，以增强蜂窝、Wi-Fi 和 GNSS 天线的安装。每根天线都预涂了粘合剂，便于安装，并有一个封闭的载体，端接 FAKRA 或 SMA 连接器。图1 显示的是 5G/4G 蜂窝天线 TFX62.A，覆盖600 MHz 至 6 GHz。

图1 透明的 5G/4G 蜂窝天线 TFX62.A。

基于这项专利透明技术，Taoglas 还进行了多项定制天线设计。其中一个定制解决方案创建了一个 8 合 1 组合天线，将蜂窝、Wi-Fi、GNSS 和其他天线集成到单个透明薄膜中。在这个特殊的使用案例中，透明薄膜的边缘被磨圆，以适应应用的独特要求，并提供隐蔽的外观。

设计与开发考虑因素

Taoglas 于 2020 年首次开发透明天线，并于 2023 年 2 月在市场上推出了 Taoglas 隐形天线系列的前三款产品，分别支持蜂窝（TFX62.A）、Wi-Fi（TFX257.A）和 GNSS（TFX125.A）。其动机是利用公司在不同类型天线（包括柔性印刷电路板（PCB）天线）方面的技术知识，设计一种尽可能透明的解决方案。柔性天线采用 "剥离和粘贴 "工艺，可以弯曲、折叠或拉伸，以适应各种形状和表面。这种灵活性使天线能够集成到非常规位置，如智能手机的弯曲边缘或汽车内部。不过，这些柔性天线通常是黑色的，在玻璃等透明表面上非常明显。

设计透明天线的核心挑战在于调和两种看似矛盾的特性：导电性和透明度。导电材料是实现高效天线性能的关键，但它们通常会吸收或反射光线，因此是不透明的。材料的透明度越高，导电性就越低，从而降低了天线的性能。透明度以可见光透射率（VLT）来衡量，即穿过材料而不是被反射或吸收的可见光的百分比。在性能和透明度之间找到适当的平衡点至关重要。

Taoglas 已观察到将天线设计从铜转换到透明材料的几种反应。是否发生共振偏移取决于天线的设计。通常不会出现共振偏移，阻抗响应也相当相似。不过，天线效率和峰值增益的性能可能会下降。如图2 所示，这些设计在仿真模型中也得到了相当准确的反映。

图2 铜和透明材料的模拟和测量结果。

Taoglas 经常为客户提供定制天线解决方案。这些天线旨在优化特定环境下的射频性能。这些项目通常涉及多种不同技术的组合和集成。因此，Taoglas 是识别技术挑战、提出和评估潜在解决方案以及提供专家意见以确保克服技术挑战的理想选择。

透明天线可使用多种材料。每种材料在射频性能和透明度之间都有不同的折衷方案。其中一种材料是金属网导电膜，它所表现出的特性使其成为天线应用中考虑到薄层电阻、VLT、功率、颜色和透明度时的最佳选择。

透明薄膜不是固态金属，因此很难直接焊接电缆。为了实现大批量生产，需要一种可靠、可重复和易于制造的连接方法。设计必须确保即使有必要的电缆和连接，天线仍然是隐形的。为确保最佳射频连接，通常需要采用机电连接方法。从生产和装配的角度来看，这种方法也是最友好的。

透明薄膜面临的另一个挑战是如何在多层薄膜之间建立物理电气连接。这种结构类似于在印刷电路板上使用通孔。这给射频工程师和创建受控阻抗传输线（如地面共面波导 (CPWG)）的能力带来了巨大挑战。

最后，还要考虑安装和粘合问题。双面胶必须足够透明，以保持隐蔽性，并在预期的产品使用寿命内提供强大的粘附力。例如，考虑到可能将透明天线放置在车窗上，粘合剂不能被太阳的紫外线晒黄，也不能因过热而失去强度。

材料和连接方法

在对不同材料进行试验后，最终选择了一种亚毫米金属网导电薄膜，因为它性能优异、可靠且透明。外壳或载体的材料是 ABS/PC，天线的材料是 PET。Taoglas 隐形天线产品的 VLT 高于 74%。汽车行业的标准要求前挡风玻璃的 VLT 为 70%。这种材料还具有耐热性和防紫外线功能。天线的工作温度范围为 -40℃ 至 85℃，可承受 65℃、相对湿度 95% 的非冷凝环境。

为了与电缆连接，我们开发了一种解决方案，使用夹子进行机械连接，以建立一致的射频连接。这是通过从边缘馈入天线并使用隐形尾翼作为电缆来实现的。图3 显示了采用 FAKRA 连接器的独特 PCB 适配器板。

图3 采用 FAKRA 连接器的独特 PCB 适配器板。

确保最佳射频性能和集成考虑因素

虽然具有隐蔽性，但重要的是透明天线仍然是天线。地平面考虑是相关的，每根天线应放置在距离金属至少 20 毫米的地方，以保持性能。与其他天线一样，透明天线的关键性能指标包括天线效率、阻抗匹配、增益、辐射模式和带宽覆盖。图4 显示了安装在 4 毫米塑料基板上的 TFX62.A 天线的总效率与频率的关系。

图4 TFX62 天线效率与频率的关系。

Taoglas 在其隐形天线产品组合中增加了 SMA 连接器选项。这些产品包括用于蜂窝应用的 TFX62.C、用于 GNSS 应用的 TFX125.B 和用于 Wi-Fi 应用的 TFX257.B。模块化设计允许定制 MIMO 配置。天线可以正交放置，以最大限度地扩大覆盖范围和吞吐量，同时最大限度地减少耦合。

应用实例

虽然透明天线的性能无法与铜等固体导电材料相媲美，但它们却具有独特的优势。例如，将蜂窝电话透明天线放置在窗户上，可以最接近地接收外部信号，从而提高信号强度、覆盖范围和数据传输速率。在汽车应用中，可将隐蔽安装的透明天线放置在汽车前/后挡风玻璃、天窗和/或侧窗玻璃上。这些天线可替代大型外部天线。透明天线可增强车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信，从而实现先进驾驶辅助系统和自动驾驶功能。当使用透明天线代替外部天线时，由于无需钻孔，而是使用 "剥离和粘贴 "粘合剂，因此可节省成本并简化安装过程。图5 显示了可安装隐蔽式透明天线的部分区域。

图5 车辆上的透明天线放置选项¹

一种潜在的应用是在汽车玻璃上使用透明天线，实现车载卫星通信。这将为无法使用蜂窝网络的偏远地区提供可靠的连接。新老卫星运营商都在探索如何进入新兴的卫星物联网市场。传统上，卫星运营商依赖专有协议，现在他们正在探索利用现有无线物联网技术的优势，如 LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M 和 5G NR 低功耗。整合这些技术可以实现从地面网络到卫星网络（即非地面网络 (NTN)）的无缝过渡。

NTN 的进步为卫星供应商、模块和芯片组制造商以及天线供应商带来了新的商业机会。汽车行业已提议将 n256 和 n255 作为 5G NB-IoT 和 5G NR 标准的行业标准频段。这与 3GPP Rel-17 一致。表 1 重点介绍了这些 NTN 频段的频率和区域使用情况。

值得注意的是，这里列出的是北美地区的 n23 频段。北美是多个应用的大市场。任何天线设计都应涵盖 n23 频段，以确保解决方案能在北美地区运行。频段 n23 和 n256每个信道的起始和终止频率相似。设计 n23/n256 组合解决方案不会增加设计的复杂性或所需的研发时间。为 n23/n256 组合频段进行设计可提供更多商业机会。

目前正在开发的大多数 NTN 技术都侧重于物联网应用。目前，与地球同步轨道卫星相关的大延迟和低吞吐量限制了潜在应用的范围。随着越来越多的低地轨道卫星投入使用，这一领域将有可能出现低延迟、高吞吐量的应用。

需要进行链路预算，以确定指定的天线参数（如天线增益）是否会使系统正常运行。链路预算考虑了整个射频路径，并计算接收器的接收功率。如果接收到的功率高于接收器的灵敏度，则可对接收到的信号进行解码。此外，链路预算还可用于计算 NB-IoT 等无线技术的误码率 (BER)。计算方法是计算能量谱密度或 SNR (E_b/N₀)，并估算系统噪声。图6 显示了一些具有代表性的调制方案的 SNR 与误码率的关系。

图6 不同调制方案的误码率

Taoglas 与欧洲航天局合作开展了一个研究项目。该项目包括设计一个天线阵列，以提高增益并实现波束赋形和波束转向，从而提供高性能连接。低地轨道星座的典型卫星通信天线为无源全向天线，峰值增益约为 3 dBi。透明天线通常为平面天线，因此本身为全向天线，峰值增益较低。为了增加链路预算中的链路裕度，可以通过增加额外的卫星通信天线来提高增益，从而创建一个分布式天线系统（DAS）。来自通信卫星的信号是圆极化的，而透明天线是线性的。

DAS 是一个在特定区域内间隔分布的天线网络，与一个公共信号源相连。最初的设想是用多个低功率天线取代单个高功率天线。这样可以提高可靠性，并且由于覆盖区域更加本地化，所需的总功率也更小。一般来说，DAS 的目的是向多个区域提供独立的覆盖，例如在一栋建筑物内。DAS 的典型用例是在室内或室外为酒店、地铁、机场、医院、企业或公路隧道提供蜂窝、Wi-Fi 或紧急服务覆盖²。

车载 DAS（vDAS）涉及在车辆周围安装天线，以提高 DAS 的效率。现代车辆通常采用多种天线技术。其中包括用于导航和定时的 GNSS、5G MIMO 阵列、车对万物天线、AM/FM/DAB 天线以及用于连接设备的蓝牙/Wi-Fi 天线。

透明天线与 DAS 的兼容性取决于其与系统的物理集成、透明度要求和整体射频技术规格。由于射频性能和透明度之间存在权衡，因此具有所需射频性能的天线可能不够透明。在增加透明度的同时增加 DAS 中的天线数量可能会缓解这一问题。从理论上讲，透明天线应能像其他天线一样集成到 DAS 中，只要它们有一个合适的连接器。目前正在对这一应用进行可行性研究。

其他应用包括智能楼宇和工业应用。在这些应用中，透明天线可以安装在住宅、办公室和购物中心的窗户上，在提供连接的同时不影响美观。将天线放置在窗户上，并将电缆连接到隐藏在墙壁中的路由器，可以提高建筑物的美观度，并确保无缝连接。电动汽车充电器和停车计时器等设备可以从屏幕上放置的透明天线中获益，而传统的外部天线则会显露出来，造成干扰。

天线的未来显而易见

天线常常被忽视，但它们却是实现无缝通信的无名英雄。传统的天线可能很笨重，会影响许多设备的美观，或者需要复杂的安装，如在车顶上钻孔。透明天线是一项重大突破，提供了一种独特的替代方案。随着这项技术的不断进步和发展，透明天线无疑会有更多的应用，从而塑造隐蔽连接的未来。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/43338