天线的演化及物理原理

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-02 17:53:01 收藏 已收藏
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天线的演化及物理原理

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-02 17:53:01

几十年来,天线和微波工程这两门学科都有着千丝万缕的联系,却又相当独立。二者都具有高度专业性和复杂度,任何一方的专家都不会质疑另一方的专业学识。微波工程师主要关注如何通过各种有源(放大器、振荡器、有源调谐器等)和无源(滤波器、耦合器、分离器等)器件来调节无线电波,而天线工程师则一直在研究采用愈发复杂的基于分形及相关天线几何架构来自由操纵电波的创新方法。不过,随着“无天线”技术的引入,这种划分可能会发生根本的改变。相比于传统天线工程,这种技术使得天线设计与滤波器设计变得更加相似。

无天线技术的原理是使用一种名为天线增强器的现成标准化微型部件,来替代复杂的定制化天线设计。天线增强器本身即为芯片状,采取表面贴装,从而能够像其它电子元件(如微处理器、存储器、放大器、滤波器或开关)一样完美契合印制电路板。它还能与传统贴片机相结合,使得下一代IoT/移动或无线设备的设计和制造过程更加简单、快速且高效。

对天线和微波工程师而言,微型贴片天线已经问世几十年了,那么这些新兴的天线增强器又有何与众不同之处值得关注呢?一大革新点在于它们的多频带能力。传统的微型贴片天线采用高介电常数陶瓷材料,对于窄带单频应用(如蓝牙和GPS)而言性能尚可。单个新型无天线增强器在宽频段(如698至2690MHz)上都可实现完整的移动性能。此外,它们由传统的低成本材料(如环氧玻璃基板或塑料印模组件)制成,使得这种现成的部件能够低价批量生产。

图1描绘了无天线技术为新一代移动/IoT设备带来的根本变化。从早年的板砖手机中短粗的外置单极/偶极天线到最新的天线增强器,天线技术总是在朝减小组件尺寸的同时增加频带数量这一方向发展,经历了巨大的进步。

天线的演化及物理原理

图1:天线的演化:从外接单频天线到微型天线增强器。

天线工程师们对于增加频带数量以及减小天线尺寸的挑战有句口头禅:“尺寸波长一换一。”尽管天线技术一直在进步,不断产生更复杂的形状来满足小空间的多频带需求,然而到了2008至2012年间,似乎遇到了技术瓶颈,天线尺寸无论如何也不能再进一步缩小了。毕竟,Chu和Wheeler在二十世纪四十年代提出的基本限制条件就是:任何比工作波长小的器件(如≤λ/10),它的辐射情况都会受到影响,极端情况下甚至不会产生辐射。那么,这些远低于此限制条件(常为工作波长的1/30或1/50)的小型天线增强器又该如何在移动频率下达到全辐射呢?它们又是如何同时在多个移动/无线波长间实现全辐射的呢?

无天线技术的物理原理

无天线技术的一个关键点在于意识到将一个或多个微型天线增强器与辐射接地面结合在一起的重要性。接地面一般是金属平衡层,用于几乎所有的电子无线设备内,以提供稳定的零电压参考,同时屏蔽一些电磁干扰。接地面在大多数移动和无线设备中都已被集成到单极或贴片等不平衡的天线结构内,亦或是缩小版的倒F天线(IFA)以及平面倒F天线(PIFA)中。

对于这些典型的天线结构而言,接地面对整个天线辐射总是起着重大作用1。如今的新型无天线技术就是在发挥极限:接地面成为系统的唯一辐射元件,而增强器主要是平衡接地面的无功分量,使得电流形式的全RF能量被有的放矢地引入到辐射导电层上。

接地层通常与工作波长尺寸相当,支持多个辐射特征模式,从而能够同时辐射多个波长2。如此一来,由于辐射是从无线设备内部的接地面发出,天线元件被纯无功元件替代,原本的辐射天线换作了能够引发辐射但本身不产生辐射的组件,使得无线设备变为真正意义上的“无天线”。

无天线系统中的这些新无功元件正是所谓的天线增强器。天线增强器是微型无功元件,通常小于最长工作波长的1/20或1/30,可以方便地嵌入到表面贴装(SMD)部件中去3,4。图2就是一个市售天线增强器的例子。它可以采用电或磁性形式,其特征在于导体中具有小导体或小间隙,馈电过程类似于传统的电磁天线4。由于尺寸非常小,这些增强器显然是不谐振的,所以便需要一个匹配网络来为RF前端提供良好匹配。通过遵循微波工程匹配技术,设计恰当的匹配网络,增强器—接地面这一组合能够很容易实现几乎任意移动频段的多频带辐射性能。

天线的演化及物理原理

图2:Fractus Antennas研发的CUBE mXTEND™天线增强器的体积仅为125mm3。

在许多无天线系统中,最重要的是增强器和匹配网络工作组件都要具有高品质因素(高Q值)。由于辐射主要源自接地层,增强器便基本沦为无功元件,需要具备低损耗以防止在接地层发出辐射前泄露RF功率。成功应用电增强器的设计方案包括使用块状固体金属元件和法拉第笼状金属结构2-4,具有与更大尺寸的定制PIFA或IFA天线相同的整体效率。

无天线系统的一个主要优点是整个系统的频率响应是通过匹配网络而非天线结构和几何形状来实现定制的。一个标准的SMD天线组件,匹配网络通常包含三到七个组件,较常规PIFA天线的一至三个而言稍复杂,从而使得698至2690MHz频率范围内的任何频率响应都能够实现。因此,天线/微波工程师们现在需要转向为每个特定的无线或移动设备设计合适的匹配网络,而不是努力在改变天线形状以匹配无线设备内部结构的同时提供所需的辐射性能。通过摒弃天线这一环节,无线/移动应用设计达到了前所未有的快捷、简洁、可预测。

无天线2G、3G、4G

下面这个例子说明了移动平台通过与单个天线增强器、匹配网络和接地面的结合,在五个频带上运作的情况。增强器的尺寸为5mm*5mm*5mm,且同时工作于824至960MHz和1710至2170MHz。图3为评估板,包含了增强器、接地面和含六个组件的匹配网络。需要注意的是,在824MHz下,5mm仅为λ/72,远低于小天线的极限5。尽管微型SMD组件与其它贴片天线的组装方式相同,但实际上它通过朝正常移动设备(如手机)大小的接地层导入辐射电流,起到了增强器的作用。天线增强器的实际位置取决于接地面的尺寸。本例中,角落是首选位置。天线增强器相对于接地面的位置对整个辐射系统的效率起着重要决定作用。一旦选择了优选位置,下一步就是提供阻抗匹配。这个两步过程将确保天线系统辐射及接收电磁波的总效率保持最优。

天线的演化及物理原理

图3:基于CUBE mXTEND™天线增强器的五波段单端口移动天线系统示例。评估板包括一个增强器、一个接地层和一个包含六个组件的匹配网络。

如上所述,由于接地面增强器的性质是无功的,所以需要多频带匹配网络来同时匹配两个频率区间(824至960MHz和1710至2170MHz)。这样的设计并不像单波段匹配网络那样简单,后者采用一个L型或π型电路通常便足矣。我们这个例子设计了一个用到六项集总元件的匹配网络。这个设计过程的目标是发生器功率传输到接地面增强器的多少,采用了一种微波计算机辅助设计(CAD)工具按照那个目标进行了优化。当匹配网络设计完成并整合到PCB中后(图3的左上方),我们进行了VSWR及总效率的测量。其结果(图4)显示,运行频段的VSWR≤3,在824至960MHz和1710至2170MHz频率区间上平均总效率分别为56.7%和75.8%。

天线的演化及物理原理

图4:图3中的五波段单端口移动天线的VSWR和包括失配损耗的天线效率。

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