為解決這些問(wèn)題，設計人員開(kāi)始采用新的設計和電路方法，讓這些天線(xiàn)不只成為一個(gè)獨立的元器件，而是成為能夠化解上述諸多設計挑戰的動(dòng)態(tài)天線(xiàn)子系統的一部分。這一設計轉變需要進(jìn)行大量仿真和分析，而不斷改進(jìn)的場(chǎng)解算器軟件可以滿(mǎn)足這一需求。

 

 

從傳統的外部鞭形或短截天線(xiàn)過(guò)渡至芯片和貼片天線(xiàn)的原因很多，首當其沖的是外部天線(xiàn)存在的美觀(guān)性和易折性問(wèn)題。從性能的角度而言，智能手機等設備在給定的頻帶往往需要多個(gè)天線(xiàn)才能提供天線(xiàn)分集，進(jìn)而改善性能。此外，多頻帶設備（尤其是與新興的5G 標準兼容的設備）在其必須支持的每個(gè)頻帶，都需要單獨的獨立式天線(xiàn)。盡管有這么多原因，但芯片和貼片天線(xiàn)也有自身的短板。

 

芯片天線(xiàn)使用多層陶瓷結構構成在目標頻率諧振的元器件（圖1）。與其他所有表面貼裝元器件一樣，它們的尺寸很小，可以輕松地貼裝在PC 板上。

 

圖1：沒(méi)有體積小、成本低且易于應用的陶瓷芯片天線(xiàn)，許多便攜式無(wú)線(xiàn)設備將無(wú)從實(shí)現。圖中顯示的是Johanson Technology 2450AT18B100E，位于廣泛使用的2.4 至2.5 GHz 頻段的中間位置。（圖片來(lái)源：Johanson Technology）

 

我們用兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明它們的特性。Johanson Technology 2450AT18B100E 是適用于2.4 至2.5 千兆赫(GHz) 頻段的1.6 x 3.2 mm 芯片天線(xiàn)，盡管它的體積很小，卻能提供近乎全向的輻射模式，而無(wú)需考慮方向（圖2）。類(lèi)似這樣的天線(xiàn)在便攜式和手持無(wú)線(xiàn)設備中已得到廣泛的成功應用。盡管芯片天線(xiàn)自身很簡(jiǎn)單，但設計人員必須將相關(guān)的驅動(dòng)器電路與其50 ? 標準阻抗相匹配。當在分集架構中使用多個(gè)芯片天線(xiàn)時(shí)，這可能成為一大難題。

 

圖2：Johanson 描述了芯片天線(xiàn)在全部三個(gè)軸（自上而下分別為：a) XY、b) XZ 和c) YZ）上的輻射模式；請注意，該模式在所有三個(gè)軸上近乎全向。（圖片來(lái)源：Johanson Technology）
 

另一款芯片天線(xiàn)是Taiyo Yuden AF216M245001-T，用于仿真同樣適合2.4 至2.5 GHz 頻帶的單極螺旋形天線(xiàn)。該天線(xiàn)的尺寸為2.5 x 1.6 mm，同樣具有近乎全向的特征，并且可在2.45 GHz 至2.7 GHz 頻帶保持低于2:1 的VSWR（圖3）。

 

圖3：Taiyo Yuden 的AF216M245001-T 芯片天線(xiàn)可在其主要工作帶寬2.45 GHz 至2.7 GHz 范圍內保持2:1 的VSWR。（圖片來(lái)源：Taiyo Yuden）

 

由于芯片天線(xiàn)具有成本低、體積小和易于使用等特點(diǎn)，它們看起來(lái)是可滿(mǎn)足眾多無(wú)線(xiàn)需求的最優(yōu)解決方案。盡管很多情況下的確如此，但在現實(shí)中，與所有元器件一樣，芯片天線(xiàn)也有自己的短板。在此案例中，它們的典型效率相對較低，僅為40% 至50%，而且容易受周邊的固定和變化條件影響，包括PC 板布局、附近的元器件和用戶(hù)等。

 

芯片天線(xiàn)的替代產(chǎn)品是貼片天線(xiàn)（圖4）。盡管它的尺寸比芯片設計要大，但相當扁平，因此往往能夠沿產(chǎn)品外殼的內側放置，遠離元器件和其他輻射模式失真源。

 

貼片天線(xiàn)（例如Pulse Electronics 的W6112B0100）可支持包括智能電表、遠程監測和物聯(lián)網(wǎng)設計在內的2 x 2 多路輸入、多路輸出(MIMO) LTE 應用。盡管該天線(xiàn)的尺寸大于芯片天線(xiàn)（約為8.8 英寸長(cháng) ×0.8 英寸高），但根據所支持的具體頻帶，其效率可達55% 至75%（圖5）。

 

圖4：貼片天線(xiàn)（例如Pulse Electronics 的多頻帶W6112B0100）并非貼裝在PC 板上，而是連接到產(chǎn)品外殼的內部，遠離板和電路。（圖片來(lái)源：Pulse Electronics）

 

圖5：適用于2 x 2 MIMO 4G/LTE 的W6112B0100 設計為在698 MHz 至960 MHz、1.428 GHz 至1.51 GHz、1.559 GHz 至1.61 GHz、1.695 GHz 至2.2 GHz、2.3 GHz 至2.7 GHz 和3.4 GHz 至3.6 GHz 等多個(gè)頻帶工作，并能保持較高的效率。（圖片來(lái)源：Pulse Electronics）

 

第三種天線(xiàn)選擇是PC 板印制線(xiàn)方法，該方法使用PC 板的一個(gè)或多個(gè)蝕刻層來(lái)創(chuàng )建天線(xiàn)。此解決方案沒(méi)有直接的BOM 成本，并且極度靈活，因為它能用于創(chuàng )建使用分立元器件無(wú)法實(shí)現的定制或獨特天線(xiàn)。單一的印制線(xiàn)天線(xiàn)可以覆蓋包括濾波在內的多個(gè)頻帶，并且支持多極化。

 

但天下沒(méi)有“免費的午餐”，因為印制線(xiàn)天線(xiàn)往往需要占用大量的PC 板空間，而且它的性能會(huì )受附近布局、元器件貼裝和元器件類(lèi)型的很大影響。理論上的印制線(xiàn)天線(xiàn)與其實(shí)際安裝之間存在可能很難逾越的重大差距。

 

當系統包含多個(gè)天線(xiàn)，而拓撲要求在天線(xiàn)之間切換時(shí)，就會(huì )出現這樣的問(wèn)題——如何實(shí)現切換。機電開(kāi)關(guān)很有效，并且具有出色的電氣規格，但對于小型或便攜式設備以及需要快速開(kāi)關(guān)的設備而言，這顯然不切實(shí)際。相反，應使用電子開(kāi)關(guān)，通常是基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)（參見(jiàn)“射頻開(kāi)關(guān)如何以及為何使用PIN 二極管”）或固態(tài)開(kāi)關(guān)（參見(jiàn)“半導體射頻開(kāi)關(guān)：體積小但性能強的電路元器件”）。盡管有時(shí)需要PIN 二極管的屬性，但與基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)相比，固態(tài)開(kāi)關(guān)更容易使用和引入到電路設計中。

 

例如，Peregrine Semiconductor 的PE42422MLAA-Z 是一款不含任何移動(dòng)零件的基本SPDT 射頻開(kāi)關(guān)，適合在5 MHz 至6 GHz 頻帶工作。將其引入到電路設計時(shí)，面臨的設計挑戰也較少（圖6）。這款50 ? 元器件采用微型12 引線(xiàn)2 x 2 mm QFN 封裝，結合了板載的CMOS 控制邏輯和低壓CMOS 兼容型控制接口，無(wú)需外部元器件。它通常能在2 毫秒內完成通道切換。

 

圖6：當有多個(gè)天線(xiàn)時(shí)，往往需要在天線(xiàn)之間切換射頻信號路徑。純電子射頻SPDT 開(kāi)關(guān)（例如Peregrine Semiconductor 的PE42422MLAA-Z）提供的方法只需通過(guò)簡(jiǎn)單的安裝和控制便能做到這一點(diǎn)，而且在5 MHz 至6 GHz 頻帶范圍的開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為2 毫秒。（圖片來(lái)源：Peregrine Semiconductor）

 

插入損耗的范圍為0.23 dB (100 MHz) 至0.9 dB (6 GHz)，整個(gè)范圍內的三階交調點(diǎn)(IIP3) 為75 dBm（最小值）。利用這類(lèi)開(kāi)關(guān)，可以輕松地在通用端口與兩個(gè)獨立端口之間實(shí)現隔離度為68 dB（較低頻率下）至17 dB（較高頻率下）的射頻信號雙向路由。插入損耗為0.23 至1.25 dB，同樣取決于頻率。

 

 

任何天線(xiàn)的性能都會(huì )受到其周邊環(huán)境的影響，包括附近的元器件、屏蔽和封裝等?？梢詫@些元素的效應進(jìn)行建模，并在最終設計中加以考慮，但這往往需要多次交互才能達到需求沖突的平衡（參見(jiàn)“了解天線(xiàn)的規格和操作，第1 部分”和“了解天線(xiàn)的規格和操作，第2 部分”。

 

但對于緊湊的便攜式和手持設備，問(wèn)題要復雜得多，因為天線(xiàn)的周邊環(huán)境一直在變化。用戶(hù)在使用時(shí)可能朝不同的方向或靠近身體的不同部位（手腕、頭部或軀干）握持產(chǎn)品，或將產(chǎn)品放在其他物體的附近。因此，天線(xiàn)處于次優(yōu)環(huán)境中，在此環(huán)境中，天線(xiàn)的有效阻抗和共振頻率會(huì )發(fā)生變化并導致性能下降。

 

當天線(xiàn)的共振頻率發(fā)生偏移時(shí)，其呈現給無(wú)線(xiàn)電前端剩余部分的阻抗也會(huì )偏離初始值，造成阻抗失配。阻抗失配會(huì )產(chǎn)生三種效應。更多的能量從天線(xiàn)端子反射回來(lái)，而不是通過(guò)這些端子；由于負載牽引的原因，來(lái)自功率放大器(PA) 的輸出功率下降；以及天線(xiàn)的輻射效率由于容性負載而降低。

 

過(guò)去幾十年里，天線(xiàn)面臨的這一處境導致射頻鏈路預算不斷下降，從而影響了產(chǎn)品的性能。由于網(wǎng)絡(luò )和系統級性能的提升，這一性能降級沒(méi)有引起用戶(hù)的注意。更多的蜂窩基站、蜂窩基站天線(xiàn)波束形成的使用以及改進(jìn)的誤差校正技術(shù)，在很大程度上對其進(jìn)行了補償。由于系統級需求和用戶(hù)需求不斷提高，尤其對于新興的5G 標準，這類(lèi)補償可能已經(jīng)“入不敷出”了。

 

與此情形相關(guān)的損耗模式有三種：吸收損耗、阻抗失配損耗和天線(xiàn)輻射效率損耗。吸收損耗可能高達8 到10 dB，并且目前為止我們對此無(wú)能為力。阻抗失配損耗約為1 到2 dB，而天線(xiàn)輻射效率損耗約為2 到3 dB?？赏ㄟ^(guò)兩種方法來(lái)彌補阻抗失配和輻射效率損耗：更改天線(xiàn)的匹配電路和更改天線(xiàn)的諧振。

 

無(wú)線(xiàn)設備供應商在其最新一代的設備中已經(jīng)解決了該問(wèn)題。動(dòng)態(tài)調諧可以補償導致天線(xiàn)共振頻率發(fā)生偏移的頭部和手部效應。這是通過(guò)使用閉環(huán)調諧周期減少天線(xiàn)與功率放大器(PA) 之間的失配以?xún)?yōu)化功率傳輸來(lái)實(shí)現的（圖7）。

 

圖7：閉環(huán)調諧用于動(dòng)態(tài)修改阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現最優(yōu)性能及減少損耗。（圖片來(lái)源：Antennasonline.com）
 

在閉環(huán)調諧中，將會(huì )實(shí)時(shí)檢測不可避免的反射系數變化。方法是通過(guò)定向耦合器同時(shí)監測天線(xiàn)端子上的正向功率和反射功率的幅度和相位（參見(jiàn)“微型定向耦合器可滿(mǎn)足緊湊型射頻應用的需求”）。然后，系統將合成一個(gè)用于調整位于天線(xiàn)饋電點(diǎn)的匹配網(wǎng)絡(luò )的復數共軛，以增強前端與天線(xiàn)之間的射頻功率傳輸。這可以將損耗減少多達1 到3 dB。

 

這種閉環(huán)調諧方法盡管很有用，但也存在幾點(diǎn)不足。測量反射系數的幅度和相位，然后確定共軛匹配，這需要大量的計算周期和時(shí)間，或者需要使用查詢(xún)表。查詢(xún)表的速度較快，但精度較低。為實(shí)施復雜的匹配，需要采用復雜的匹配電路。使用此方法實(shí)現的性能提升通常為1 到3 dB。

 

閉環(huán)調諧的替代方法是孔調諧，該方法通常與阻抗匹配搭配使用。這種情況下，將以電氣方法更改天線(xiàn)尺寸（調諧狀態(tài)），將其諧振恢復到最大功率傳輸點(diǎn)，而不是調整匹配網(wǎng)絡(luò )以適應天線(xiàn)阻抗變化（圖8）。這需要大量小間距的調諧狀態(tài)。

 

圖8.經(jīng)過(guò)孔調諧的天線(xiàn)會(huì )動(dòng)態(tài)調整天線(xiàn)的諧振長(cháng)度以最大限度減少損耗。（圖片來(lái)源：Antennasonline.com）
 

這種情況下，與閉環(huán)調諧一樣，將在天線(xiàn)的饋電端子處測量反射系數。接著(zhù)，使用其中的一種方法執行此測量，確定最佳的新調諧狀態(tài)。其中三種方法為標量方法，只需使用簡(jiǎn)單的定向耦合器監測天線(xiàn)端子處的反射功率幅度，然后應用不同的計算方法（被稱(chēng)為平方擬合、閾值調整或凹點(diǎn)檢測）。

 

第四種方法基于矢量，并使用反射系數的幅度和相位來(lái)確定天線(xiàn)結構的S 參數矩陣解，然后確定恢復天線(xiàn)的共振頻率所需的調諧器設置。通?？蓽p少2 到4 dB 的損耗。與阻抗匹配結合使用，總體改進(jìn)范圍為3 到7 dB。

 

 

對于標準鞭形設計等外部天線(xiàn)，在設計周期的早期只有極少甚至不進(jìn)行任何性能建模。但對于芯片、PC 板印制線(xiàn)天線(xiàn)，甚至對于非?？拷驮肼暦糯笃骰蚬β史糯笃鞯馁N片天線(xiàn)而言，天線(xiàn)仿真及其實(shí)現都至關(guān)重要。不可能僅通過(guò)構建、測試、修改、重復和迭代就能找到合適的配置。不僅必須對天線(xiàn)進(jìn)行建模，還必須對整個(gè)周邊環(huán)境（PC 板、元器件、外殼甚至用戶(hù)的手或頭部位置）進(jìn)行建模和分析。

 

所幸的是，已經(jīng)有很多先進(jìn)的電磁場(chǎng)解算器應用程序包能夠解決仿真問(wèn)題。為其提供支持的是功能強大的PC 或基于云的計算平臺，它們能夠運行這些場(chǎng)解算器執行分析所需的海量計算。這些場(chǎng)解算器還能通過(guò)最小值/最大值試驗或跨多個(gè)變量的蒙特卡羅運行，來(lái)分析設計容差的影響。它們可以顯示在GHz 頻率下即便幾分之一毫米的變化也能產(chǎn)生重大影響，實(shí)施“假設”分析以研究可能的設計變更產(chǎn)生的影響，以及突顯設計的不足或意外的特征。

 

 

盡管天線(xiàn)的功能很簡(jiǎn)單，但它是將電路中的電功率轉換為電磁場(chǎng)以及執行反向轉換的復雜電磁傳感器。傳統的單元件天線(xiàn)（例如偶極和鞭形天線(xiàn)）現已增強為使用多層陶瓷、扁平貼片結構甚至產(chǎn)品自身的PC 板的一個(gè)或多個(gè)天線(xiàn)。

 

將這些天線(xiàn)結合到緊湊型（通常為便攜式）產(chǎn)品，需要仔細分析整個(gè)系統和封裝，驗證天線(xiàn)的理想化性能未受到過(guò)大的影響，并且能夠達成設計目標。利用場(chǎng)解算器軟件可以做到這一點(diǎn)，這類(lèi)軟件能夠為實(shí)際安裝中的電磁場(chǎng)和天線(xiàn)性能的詳細建模及相關(guān)計算提供有力的支持。