幾十年來(lái)，天線(xiàn)和微波工程這兩門(mén)學(xué)科都有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，卻又相當獨立。二者都具有高度專(zhuān)業(yè)性和復雜度，任何一方的專(zhuān)家都不會(huì )質(zhì)疑另一方的專(zhuān)業(yè)學(xué)識。微波工程師主要關(guān)注如何通過(guò)各種有源（放大器、振蕩器、有源調諧器等）和無(wú)源（濾波器、耦合器、分離器等）器件來(lái)調節無(wú)線(xiàn)電波，而天線(xiàn)工程師則一直在研究采用愈發(fā)復雜的基于分形及相關(guān)天線(xiàn)幾何架構來(lái)自由操縱電波的創(chuàng )新方法。不過(guò)，隨著(zhù)“無(wú)天線(xiàn)”技術(shù)的引入，這種劃分可能會(huì )發(fā)生根本的改變。相比于傳統天線(xiàn)工程，這種技術(shù)使得天線(xiàn)設計與濾波器設計變得更加相似。

 

對天線(xiàn)和微波工程師而言，微型貼片天線(xiàn)已經(jīng)問(wèn)世幾十年了，那么這些新興的天線(xiàn)增強器又有何與眾不同之處值得關(guān)注呢？一大革新點(diǎn)在于它們的多頻帶能力。傳統的微型貼片天線(xiàn)采用高介電常數陶瓷材料，對于窄帶單頻應用（如藍牙和GPS）而言性能尚可。單個(gè)新型無(wú)天線(xiàn)增強器在寬頻段（如698至2690MHz）上都可實(shí)現完整的移動(dòng)性能。此外，它們由傳統的低成本材料（如環(huán)氧玻璃基板或塑料印模組件）制成，使得這種現成的部件能夠低價(jià)批量生產(chǎn)。

 

圖1描繪了無(wú)天線(xiàn)技術(shù)為新一代移動(dòng)/IoT設備帶來(lái)的根本變化。從早年的板磚手機中短粗的外置單極/偶極天線(xiàn)到最新的天線(xiàn)增強器，天線(xiàn)技術(shù)總是在朝減小組件尺寸的同時(shí)增加頻帶數量這一方向發(fā)展，經(jīng)歷了巨大的進(jìn)步。

 

圖1：天線(xiàn)的演化：從外接單頻天線(xiàn)到微型天線(xiàn)增強器。

 

天線(xiàn)工程師們對于增加頻帶數量以及減小天線(xiàn)尺寸的挑戰有句口頭禪：“尺寸波長(cháng)一換一。”盡管天線(xiàn)技術(shù)一直在進(jìn)步，不斷產(chǎn)生更復雜的形狀來(lái)滿(mǎn)足小空間的多頻帶需求，然而到了2008至2012年間，似乎遇到了技術(shù)瓶頸，天線(xiàn)尺寸無(wú)論如何也不能再進(jìn)一步縮小了。畢竟，Chu和Wheeler在二十世紀四十年代提出的基本限制條件就是：任何比工作波長(cháng)小的器件（如≤λ/10），它的輻射情況都會(huì )受到影響，極端情況下甚至不會(huì )產(chǎn)生輻射。那么，這些遠低于此限制條件（常為工作波長(cháng)的1/30或1/50）的小型天線(xiàn)增強器又該如何在移動(dòng)頻率下達到全輻射呢？它們又是如何同時(shí)在多個(gè)移動(dòng)/無(wú)線(xiàn)波長(cháng)間實(shí)現全輻射的呢？

 

 

無(wú)天線(xiàn)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于意識到將一個(gè)或多個(gè)微型天線(xiàn)增強器與輻射接地面結合在一起的重要性。接地面一般是金屬平衡層，用于幾乎所有的電子無(wú)線(xiàn)設備內，以提供穩定的零電壓參考，同時(shí)屏蔽一些電磁干擾。接地面在大多數移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)設備中都已被集成到單極或貼片等不平衡的天線(xiàn)結構內，亦或是縮小版的倒F天線(xiàn)（IFA）以及平面倒F天線(xiàn)（PIFA）中。

 

對于這些典型的天線(xiàn)結構而言，接地面對整個(gè)天線(xiàn)輻射總是起著(zhù)重大作用1。如今的新型無(wú)天線(xiàn)技術(shù)就是在發(fā)揮極限：接地面成為系統的唯一輻射元件，而增強器主要是平衡接地面的無(wú)功分量，使得電流形式的全RF能量被有的放矢地引入到輻射導電層上。

 

接地層通常與工作波長(cháng)尺寸相當，支持多個(gè)輻射特征模式，從而能夠同時(shí)輻射多個(gè)波長(cháng)2。如此一來(lái)，由于輻射是從無(wú)線(xiàn)設備內部的接地面發(fā)出，天線(xiàn)元件被純無(wú)功元件替代，原本的輻射天線(xiàn)換作了能夠引發(fā)輻射但本身不產(chǎn)生輻射的組件，使得無(wú)線(xiàn)設備變?yōu)檎嬲饬x上的“無(wú)天線(xiàn)”。

 

無(wú)天線(xiàn)系統中的這些新無(wú)功元件正是所謂的天線(xiàn)增強器。天線(xiàn)增強器是微型無(wú)功元件，通常小于最長(cháng)工作波長(cháng)的1/20或1/30，可以方便地嵌入到表面貼裝（SMD）部件中去3,4。圖2就是一個(gè)市售天線(xiàn)增強器的例子。它可以采用電或磁性形式，其特征在于導體中具有小導體或小間隙，饋電過(guò)程類(lèi)似于傳統的電磁天線(xiàn)4。由于尺寸非常小，這些增強器顯然是不諧振的，所以便需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)為RF前端提供良好匹配。通過(guò)遵循微波工程匹配技術(shù)，設計恰當的匹配網(wǎng)絡(luò )，增強器—接地面這一組合能夠很容易實(shí)現幾乎任意移動(dòng)頻段的多頻帶輻射性能。

 

圖2：Fractus Antennas研發(fā)的CUBE mXTEND™天線(xiàn)增強器的體積僅為125mm3。

 

在許多無(wú)天線(xiàn)系統中，最重要的是增強器和匹配網(wǎng)絡(luò )工作組件都要具有高品質(zhì)因素（高Q值）。由于輻射主要源自接地層，增強器便基本淪為無(wú)功元件，需要具備低損耗以防止在接地層發(fā)出輻射前泄露RF功率。成功應用電增強器的設計方案包括使用塊狀固體金屬元件和法拉第籠狀金屬結構2-4，具有與更大尺寸的定制PIFA或IFA天線(xiàn)相同的整體效率。

 

無(wú)天線(xiàn)系統的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統的頻率響應是通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )而非天線(xiàn)結構和幾何形狀來(lái)實(shí)現定制的。一個(gè)標準的SMD天線(xiàn)組件，匹配網(wǎng)絡(luò )通常包含三到七個(gè)組件，較常規PIFA天線(xiàn)的一至三個(gè)而言稍復雜，從而使得698至2690MHz頻率范圍內的任何頻率響應都能夠實(shí)現。因此，天線(xiàn)/微波工程師們現在需要轉向為每個(gè)特定的無(wú)線(xiàn)或移動(dòng)設備設計合適的匹配網(wǎng)絡(luò )，而不是努力在改變天線(xiàn)形狀以匹配無(wú)線(xiàn)設備內部結構的同時(shí)提供所需的輻射性能。通過(guò)摒棄天線(xiàn)這一環(huán)節，無(wú)線(xiàn)/移動(dòng)應用設計達到了前所未有的快捷、簡(jiǎn)潔、可預測。

 

 

下面這個(gè)例子說(shuō)明了移動(dòng)平臺通過(guò)與單個(gè)天線(xiàn)增強器、匹配網(wǎng)絡(luò )和接地面的結合，在五個(gè)頻帶上運作的情況。增強器的尺寸為5mm5mm5mm，且同時(shí)工作于824至960MHz和1710至2170MHz。圖3為評估板，包含了增強器、接地面和含六個(gè)組件的匹配網(wǎng)絡(luò )。需要注意的是，在824MHz下，5mm僅為λ/72，遠低于小天線(xiàn)的極限5。盡管微型SMD組件與其它貼片天線(xiàn)的組裝方式相同，但實(shí)際上它通過(guò)朝正常移動(dòng)設備（如手機）大小的接地層導入輻射電流，起到了增強器的作用。天線(xiàn)增強器的實(shí)際位置取決于接地面的尺寸。本例中，角落是首選位置。天線(xiàn)增強器相對于接地面的位置對整個(gè)輻射系統的效率起著(zhù)重要決定作用。一旦選擇了優(yōu)選位置，下一步就是提供阻抗匹配。這個(gè)兩步過(guò)程將確保天線(xiàn)系統輻射及接收電磁波的總效率保持最優(yōu)。

 

圖3：基于CUBE mXTEND™天線(xiàn)增強器的五波段單端口移動(dòng)天線(xiàn)系統示例。評估板包括一個(gè)增強器、一個(gè)接地層和一個(gè)包含六個(gè)組件的匹配網(wǎng)絡(luò )。

 

如上所述，由于接地面增強器的性質(zhì)是無(wú)功的，所以需要多頻帶匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)同時(shí)匹配兩個(gè)頻率區間（824至960MHz和1710至2170MHz）。這樣的設計并不像單波段匹配網(wǎng)絡(luò )那樣簡(jiǎn)單，后者采用一個(gè)L型或π型電路通常便足矣。我們這個(gè)例子設計了一個(gè)用到六項集總元件的匹配網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)設計過(guò)程的目標是發(fā)生器功率傳輸到接地面增強器的多少，采用了一種微波計算機輔助設計（CAD）工具按照那個(gè)目標進(jìn)行了優(yōu)化。當匹配網(wǎng)絡(luò )設計完成并整合到PCB中后（圖3的左上方），我們進(jìn)行了VSWR及總效率的測量。其結果（圖4）顯示，運行頻段的VSWR≤3，在824至960MHz和1710至2170MHz頻率區間上平均總效率分別為56.7%和75.8%。

 

圖4：圖3中的五波段單端口移動(dòng)天線(xiàn)的VSWR和包括失配損耗的天線(xiàn)效率。

 

采用無(wú)天線(xiàn)架構設計意味著(zhù)需要改變范式，天線(xiàn)組件（天線(xiàn)增強器）變?yōu)楣潭ú糠?，RF系統根據每個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺和設備的要求不同而變化。例如，RF結構需要擴展頻率范圍以覆蓋從698到2690MHz的全部移動(dòng)頻帶，同時(shí)要針對不同頻率區間使用三個(gè)獨立的輸入端口。這個(gè)移動(dòng)平臺雖然有明顯差異，但仍可以使用圖示的增強器組件進(jìn)行設計（圖5）。在該測試示例中，四個(gè)增強器安裝在接地面的三個(gè)角上，由包含三到四個(gè)組件的匹配網(wǎng)絡(luò )6將每個(gè)增強器互連到共面傳輸線(xiàn)。最低頻率端口含兩個(gè)增強器，以增加總體天線(xiàn)輻射效率，包括最具挑戰性的LTE700頻段的失配損耗。測試結果如圖6所示，表明了即便在低頻段，系統還是能夠提供46%的平均天線(xiàn)效率，高頻段更是高達70%。

 

圖5：一個(gè)使用了四個(gè)相同的天線(xiàn)增強器的三端口移動(dòng)平臺，覆蓋從698到2690MHz的全頻段。

 

圖6：三端口移動(dòng)設計效率和VSWR：（a）LTE700頻段，（b）低頻蜂窩頻段，（c）高頻蜂窩頻段；（d）三種頻段間的傳輸泄漏。

 

隔離度最差也總是優(yōu)于15dB，而對于大多數頻帶和端口組合，隔離度能夠高于30至65dB。

 

圖5的例子說(shuō)明了無(wú)天線(xiàn)技術(shù)的一些關(guān)鍵特性：靈活性和模塊化。幾乎任何RF架構都可以使用現成的、相同的天線(xiàn)增強器構建模塊來(lái)合成。若要將上述設計用于三端口的移動(dòng)/藍牙/GPS設計中，天線(xiàn)/微波工程師又該如何進(jìn)行調整？同樣的，把三端口架構和天線(xiàn)增強器與圖5的設計相結合，并調整匹配網(wǎng)絡(luò )以適應藍牙和GPS即可。

 

通過(guò)選擇天線(xiàn)增強器作為RF設計的基本構建模塊，微波/天線(xiàn)工程師可以天馬行空，不論是提高多變性還是實(shí)現MIMO7再到開(kāi)發(fā)出不受用戶(hù)操作干擾的強大系統，采用多個(gè)增強器結合可以解決幾乎任何無(wú)線(xiàn)難題8。

 

 

我們可能會(huì )認為，使用接地面來(lái)傳遞RF輻射電流會(huì )導致整個(gè)系統比傳統模式對干擾及電磁兼容性（EMC）的問(wèn)題更敏感。不過(guò)事實(shí)并非如此，因為傳統PIFA和IFA天線(xiàn)已經(jīng)使用接地面來(lái)進(jìn)行輻射1，所以基于增強器的無(wú)天線(xiàn)系統并沒(méi)有什么不同。這一點(diǎn)可以通過(guò)在多頻帶移動(dòng)平臺中集成一個(gè)基于增強器的天線(xiàn)來(lái)說(shuō)明（圖7a）。將有源測量和現場(chǎng)測試的結果與原本的嵌入式定制PIFA天線(xiàn)的數值進(jìn)行了比較（圖7b）。鑒于用來(lái)演示的智能手機輪廓細長(cháng)，本例使用了更細長(cháng)的增強器來(lái)代替立方天線(xiàn)增強器。增強器尺寸為12mm3mm2.4mm，加裝在移動(dòng)設備內的PCB一角，同時(shí)移除了現有的激光直接成型（LDS）天線(xiàn)。

 

圖7：（a）安裝于智能手機PCB角落的12mm×3mm×2.4mm天線(xiàn)增強器；（b）基于增強器的天線(xiàn)整體效率與原始PIFA天線(xiàn)效率之比較。

 

值得一提的是，原始天線(xiàn)體積為707mm3，而天線(xiàn)增強器的體積僅為86.4mm3——整整小了8倍。盡管小巧許多，集成在智能手機內部的天線(xiàn)增強器在800到960MHz上具有相同的效率，在1710到2170MHz上的效率更高，而在2500到2590MHz的效率更均衡，如圖7b所示。此外，由于增強器—接地面組合的可用帶寬較大，無(wú)天線(xiàn)這一替代解決方案可以實(shí)現原先智能手機不支持的附加頻段（LTE2300：2300至2400MHz）。除無(wú)源測試外，如圖8所示，還進(jìn)行了總輻射功率（TRP）和總各向同性靈敏度（TIS）的測量。結果與無(wú)源數據吻合良好：在850和900MHz頻帶（LFR）上TRP相近，而在1800和1900MHz頻帶（HFR）則測到了更高的TRP。至于TIS，需要強調的是LFR的情況下結果是相似的，而在HFR下的值則更好。

 

圖8：基于增強器的天線(xiàn)與原始PIFA天線(xiàn)的比較：（a）TRP及LFR，（b）HFR，（c）LFR的TIS，（d）HFR。

 

雖然從暗室等受控環(huán)境中得到的無(wú)源和有源參數（效率、TRP和TIS）是從技術(shù)角度對性能的評估，但包含了多徑衰落和人為操作的現場(chǎng)測試更為實(shí)際環(huán)境中的表現提供了補充信息。比較簡(jiǎn)單的現場(chǎng)測試會(huì )要求使用搭載了待評天線(xiàn)的智能手機與另一用戶(hù)進(jìn)行通話(huà)。由于現場(chǎng)測試的目的在于模擬實(shí)際場(chǎng)景下的性能，所以通常會(huì )選擇城市場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行試驗。一般而言，會(huì )進(jìn)行兩種現場(chǎng)測試：客觀(guān)和主觀(guān)?？陀^(guān)現場(chǎng)測試包括：選擇一個(gè)城市場(chǎng)景，并通過(guò)搭載待測天線(xiàn)的智能電話(huà)建立通話(huà)過(guò)程，并從基站收集接收功率。該測試的優(yōu)點(diǎn)之一是它不僅復制了具有多路徑的真實(shí)移動(dòng)傳播環(huán)境，還考慮到與用戶(hù)的交互，即頭部和手部。與客觀(guān)測試不同，主觀(guān)測試執行相同的過(guò)程，但不收集功率數據，而是考慮用戶(hù)感受到的音頻質(zhì)量。

 

客觀(guān)現場(chǎng)測試有如下標準程序。選取周邊有建筑物、火車(chē)軌道和道路的市區。用戶(hù)1用正常姿勢手持裝有待測天線(xiàn)的智能電話(huà)，從起點(diǎn)走到終點(diǎn)，形成一段閉合路徑9。接著(zhù)，用戶(hù)2呼叫用戶(hù)1完成通話(huà)。用戶(hù)1用步行速度移動(dòng)時(shí)，借助GSM現場(chǎng)測試的應用程序，可將接收功率表示為位置的函數。在無(wú)天線(xiàn)和原始天線(xiàn)兩種模式下，對兩個(gè)頻段GSM900和UMTS都進(jìn)行測試。

 

如圖9所示，結果表明，在GSM900上，接收功率在兩種模式下都比在UMTS處強，這與UMTS處的空間損耗高于GSM（約7dB）以及GSM900基站比UMTS發(fā)射功率更大（3dB）（天線(xiàn)增益可認為是相等的）的情況一致。還可以看到，盡管體積減少了八倍，但無(wú)天線(xiàn)解決方案能夠達到甚至提高商業(yè)智能手機中原本傳統天線(xiàn)的性能指標。

 

圖9：比較原始PIFA天線(xiàn)和無(wú)天線(xiàn)系統的客觀(guān)現場(chǎng)測試結果：在GSM900（a）和UMTS（b）上工作的原始天線(xiàn)，以及GSM900（c）和UMTS（d）上的天線(xiàn)增強器。

 

這表明無(wú)天線(xiàn)系統不僅能夠實(shí)現與傳統天線(xiàn)和大尺寸PIFA天線(xiàn)相當的無(wú)源特性，還可以在現實(shí)情況中的有源無(wú)線(xiàn)或移動(dòng)平臺上發(fā)揮良好的性能。

 

 

無(wú)天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)架構為完成無(wú)線(xiàn)/移動(dòng)設備的設計提供了一套新的工具和方法。這項新技術(shù)融合了天線(xiàn)和微波工程，提供快速、簡(jiǎn)單、有效的設計結構。隨著(zhù)新型微型SMD天線(xiàn)增強器的引入，天線(xiàn)部件得以標準化，天線(xiàn)-微波工程師能夠像設計濾波器一樣進(jìn)行快速、靈活、模塊化的天線(xiàn)系統設計，再也不需要麻煩的機械定制。此外，由于增強組件是固定的，所以通過(guò)規模經(jīng)濟可以實(shí)現潛在的低成本解決方案。

 

一些實(shí)驗和大量的結果表明，無(wú)天線(xiàn)系統節省了設備的成本和體積的同時(shí)，其性能不輸常規系統。雖然增強器的體積比同等的LDS天線(xiàn)減小了八至十倍，但無(wú)天線(xiàn)模式的無(wú)源參數（輻射效率、VSWR、隔離）和有源參數（TIS、TIR）通常與常規的相當甚至更好。

 

 

1.P. Vainikainen, J. Ollikainen, O. Kivek.s and I. Kelander, “Resonator-Based Analysis of the Combination of Mobile Handset Antenna and Chassis,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 50, No. 10, October 2002.

 

2.A. And.jar, J. Anguera and C. Puente, “Ground-Plane Boosters as a Compact Antenna Technology for Wireless Handheld Devices,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 59, No. 5, May 2011, pp. 1668-1677.

 

3.J. Anguera, A. And.jar and C. Puente, “Wireless Handheld Devices, Radiation Systems and Manufacturing Methods,” Pat. WO 2014/012842 A1, July 16, 2012.

 

4.J. Anguera, A. And.jar, C. Puente and J. Mumbr., “Antenna-less Wireless Device”, Pat. WO 2010/015365 A2, August 4, 2008.

 

5.H. A. Wheeler, “Fundamental Limitations of Small Antennas,” Proceedings of the I.R.E., 35, December 1947, pp. 1479-1484.

 

6. A. And.jar and J. Anguera, “CUBE mXTEND™ (FR01-S4-250)—A Standard Antenna Solution for Mobile Frequency Bands,” User Manual, Fractus Antennas, June 2017,

 

7.J. Anguera, A. And.jar, R. Mateos and S. Kahng, “A 4 x 4 MIMO Multiband Antenna System with Non-Resonant Elements for Smartphone Platforms,” EuCAP Conference, March 23, 2017.

 

8.A. And.jar, J. Anguera and Y. Cobo, “Distributed Systems Robust to Hand Loading based on Non-Resonant Elements,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 55, No. 10, pp. 2307-2317, October 2013.

 

9.CTIA Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance, Version 3.6, June 2016.

 

（來(lái)源：微波雜志）