幾十年來，天線和微波工程這兩門學科都有著千絲萬縷的聯(lián)系，卻又相當獨立。二者都具有高度專業(yè)性和復(fù)雜度，任何一方的專家都不會質(zhì)疑另一方的專業(yè)學識。微波工程師主要關(guān)注如何通過各種有源（放大器、振蕩器、有源調(diào)諧器等）和無源（濾波器、耦合器、分離器等）器件來調(diào)節(jié)無線電波，而天線工程師則一直在研究采用愈發(fā)復(fù)雜的基于分形及相關(guān)天線幾何架構(gòu)來自由操縱電波的創(chuàng)新方法。不過，隨著“無天線”技術(shù)的引入，這種劃分可能會發(fā)生根本的改變。相比于傳統(tǒng)天線工程，這種技術(shù)使得天線設(shè)計與濾波器設(shè)計變得更加相似。

 

對天線和微波工程師而言，微型貼片天線已經(jīng)問世幾十年了，那么這些新興的天線增強器又有何與眾不同之處值得關(guān)注呢？一大革新點在于它們的多頻帶能力。傳統(tǒng)的微型貼片天線采用高介電常數(shù)陶瓷材料，對于窄帶單頻應(yīng)用（如藍牙和GPS）而言性能尚可。單個新型無天線增強器在寬頻段（如698至2690MHz）上都可實現(xiàn)完整的移動性能。此外，它們由傳統(tǒng)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(xiàn)成的部件能夠低價批量生產(chǎn)。

 

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

 

圖1：天線的演化：從外接單頻天線到微型天線增強器。

 

天線工程師們對于增加頻帶數(shù)量以及減小天線尺寸的挑戰(zhàn)有句口頭禪：“尺寸波長一換一。”盡管天線技術(shù)一直在進步，不斷產(chǎn)生更復(fù)雜的形狀來滿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，天線尺寸無論如何也不能再進一步縮小了。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：任何比工作波長小的器件（如≤λ/10），它的輻射情況都會受到影響，極端情況下甚至不會產(chǎn)生輻射。那么，這些遠低于此限制條件（常為工作波長的1/30或1/50）的小型天線增強器又該如何在移動頻率下達到全輻射呢？它們又是如何同時在多個移動/無線波長間實現(xiàn)全輻射的呢？

 

 

無天線技術(shù)的一個關(guān)鍵點在于意識到將一個或多個微型天線增強器與輻射接地面結(jié)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線設(shè)備內(nèi)，以提供穩(wěn)定的零電壓參考，同時屏蔽一些電磁干擾。接地面在大多數(shù)移動和無線設(shè)備中都已被集成到單極或貼片等不平衡的天線結(jié)構(gòu)內(nèi)，亦或是縮小版的倒F天線（IFA）以及平面倒F天線（PIFA）中。

 

對于這些典型的天線結(jié)構(gòu)而言，接地面對整個天線輻射總是起著重大作用1。如今的新型無天線技術(shù)就是在發(fā)揮極限：接地面成為系統(tǒng)的唯一輻射元件，而增強器主要是平衡接地面的無功分量，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尺寸相當，支持多個輻射特征模式，從而能夠同時輻射多個波長2。如此一來，由于輻射是從無線設(shè)備內(nèi)部的接地面發(fā)出，天線元件被純無功元件替代，原本的輻射天線換作了能夠引發(fā)輻射但本身不產(chǎn)生輻射的組件，使得無線設(shè)備變?yōu)檎嬲饬x上的“無天線”。

 

無天線系統(tǒng)中的這些新無功元件正是所謂的天線增強器。天線增強器是微型無功元件，通常小于最長工作波長的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就是一個市售天線增強器的例子。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，饋電過程類似于傳統(tǒng)的電磁天線4。由于尺寸非常小，這些增強器顯然是不諧振的，所以便需要一個匹配網(wǎng)絡(luò)來為RF前端提供良好匹配。通過遵循微波工程匹配技術(shù)，設(shè)計恰當?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，增強器—接地面這一組合能夠很容易實現(xiàn)幾乎任意移動頻段的多頻帶輻射性能。

 

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

 

在許多無天線系統(tǒng)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(yīng)用電增強器的設(shè)計方案包括使用塊狀固體金屬元件和法拉第籠狀金屬結(jié)構(gòu)2-4，具有與更大尺寸的定制PIFA或IFA天線相同的整體效率。

 

無天線系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是通過匹配網(wǎng)絡(luò)而非天線結(jié)構(gòu)和幾何形狀來實現(xiàn)定制的。一個標準的SMD天線組件，匹配網(wǎng)絡(luò)通常包含三到七個組件，較常規(guī)PIFA天線的一至三個而言稍復(fù)雜，從而使得698至2690MHz頻率范圍內(nèi)的任何頻率響應(yīng)都能夠?qū)崿F(xiàn)。因此，天線/微波工程師們現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)向為每個特定的無線或移動設(shè)備設(shè)計合適的匹配網(wǎng)絡(luò)，而不是努力在改變天線形狀以匹配無線設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時提供所需的輻射性能。通過摒棄天線這一環(huán)節(jié)，無線/移動應(yīng)用設(shè)計達到了前所未有的快捷、簡潔、可預(yù)測。

 

 

下面這個例子說明了移動平臺通過與單個天線增強器、匹配網(wǎng)絡(luò)和接地面的結(jié)合，在五個頻帶上運作的情況。增強器的尺寸為5mm5mm5mm，且同時工作于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，遠低于小天線的極限5。盡管微型SMD組件與其它貼片天線的組裝方式相同，但實際上它通過朝正常移動設(shè)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。天線增強器的實際位置取決于接地面的尺寸。本例中，角落是首選位置。天線增強器相對于接地面的位置對整個輻射系統(tǒng)的效率起著重要決定作用。一旦選擇了優(yōu)選位置，下一步就是提供阻抗匹配。這個兩步過程將確保天線系統(tǒng)輻射及接收電磁波的總效率保持最優(yōu)。

 

圖3：基于CUBE mXTEND™天線增強器的五波段單端口移動天線系統(tǒng)示例。評估板包括一個增強器、一個接地層和一個包含六個組件的匹配網(wǎng)絡(luò)。

 

如上所述，由于接地面增強器的性質(zhì)是無功的，所以需要多頻帶匹配網(wǎng)絡(luò)來同時匹配兩個頻率區(qū)間（824至960MHz和1710至2170MHz）。這樣的設(shè)計并不像單波段匹配網(wǎng)絡(luò)那樣簡單，后者采用一個L型或π型電路通常便足矣。我們這個例子設(shè)計了一個用到六項集總元件的匹配網(wǎng)絡(luò)。這個設(shè)計過程的目標是發(fā)生器功率傳輸?shù)浇拥孛嬖鰪娖鞯亩嗌?，采用了一種微波計算機輔助設(shè)計（CAD）工具按照那個目標進行了優(yōu)化。當匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完成并整合到PCB中后（圖3的左上方），我們進行了VSWR及總效率的測量。其結(jié)果（圖4）顯示，運行頻段的VSWR≤3，在824至960MHz和1710至2170MHz頻率區(qū)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天線的VSWR和包括失配損耗的天線效率。

 

采用無天線架構(gòu)設(shè)計意味著需要改變范式，天線組件（天線增強器）變?yōu)楣潭ú糠?，RF系統(tǒng)根據(jù)每個無線平臺和設(shè)備的要求不同而變化。例如，RF結(jié)構(gòu)需要擴展頻率范圍以覆蓋從698到2690MHz的全部移動頻帶，同時要針對不同頻率區(qū)間使用三個獨立的輸入端口。這個移動平臺雖然有明顯差異，但仍可以使用圖示的增強器組件進行設(shè)計（圖5）。在該測試示例中，四個增強器安裝在接地面的三個角上，由包含三到四個組件的匹配網(wǎng)絡(luò)6將每個增強器互連到共面?zhèn)鬏斁€。最低頻率端口含兩個增強器，以增加總體天線輻射效率，包括最具挑戰(zhàn)性的LTE700頻段的失配損耗。測試結(jié)果如圖6所示，表明了即便在低頻段，系統(tǒng)還是能夠提供46%的平均天線效率，高頻段更是高達70%。

 

圖5：一個使用了四個相同的天線增強器的三端口移動平臺，覆蓋從698到2690MHz的全頻段。

 

圖6：三端口移動設(shè)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(shù)頻帶和端口組合，隔離度能夠高于30至65dB。

 

圖5的例子說明了無天線技術(shù)的一些關(guān)鍵特性：靈活性和模塊化。幾乎任何RF架構(gòu)都可以使用現(xiàn)成的、相同的天線增強器構(gòu)建模塊來合成。若要將上述設(shè)計用于三端口的移動/藍牙/GPS設(shè)計中，天線/微波工程師又該如何進行調(diào)整？同樣的，把三端口架構(gòu)和天線增強器與圖5的設(shè)計相結(jié)合，并調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)藍牙和GPS即可。

 

通過選擇天線增強器作為RF設(shè)計的基本構(gòu)建模塊，微波/天線工程師可以天馬行空，不論是提高多變性還是實現(xiàn)MIMO7再到開發(fā)出不受用戶操作干擾的強大系統(tǒng)，采用多個增強器結(jié)合可以解決幾乎任何無線難題8。

 

 

我們可能會認為，使用接地面來傳遞RF輻射電流會導致整個系統(tǒng)比傳統(tǒng)模式對干擾及電磁兼容性（EMC）的問題更敏感。不過事實并非如此，因為傳統(tǒng)PIFA和IFA天線已經(jīng)使用接地面來進行輻射1，所以基于增強器的無天線系統(tǒng)并沒有什么不同。這一點可以通過在多頻帶移動平臺中集成一個基于增強器的天線來說明（圖7a）。將有源測量和現(xiàn)場測試的結(jié)果與原本的嵌入式定制PIFA天線的數(shù)值進行了比較（圖7b）。鑒于用來演示的智能手機輪廓細長，本例使用了更細長的增強器來代替立方天線增強器。增強器尺寸為12mm3mm2.4mm，加裝在移動設(shè)備內(nèi)的PCB一角，同時移除了現(xiàn)有的激光直接成型（LDS）天線。

 

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

 

值得一提的是，原始天線體積為707mm3，而天線增強器的體積僅為86.4mm3——整整小了8倍。盡管小巧許多，集成在智能手機內(nèi)部的天線增強器在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，無天線這一替代解決方案可以實現(xiàn)原先智能手機不支持的附加頻段（LTE2300：2300至2400MHz）。除無源測試外，如圖8所示，還進行了總輻射功率（TRP）和總各向同性靈敏度（TIS）的測量。結(jié)果與無源數(shù)據(jù)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(diào)的是LFR的情況下結(jié)果是相似的，而在HFR下的值則更好。

 

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

 

雖然從暗室等受控環(huán)境中得到的無源和有源參數(shù)（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(xiàn)場測試更為實際環(huán)境中的表現(xiàn)提供了補充信息。比較簡單的現(xiàn)場測試會要求使用搭載了待評天線的智能手機與另一用戶進行通話。由于現(xiàn)場測試的目的在于模擬實際場景下的性能，所以通常會選擇城市場景來進行試驗。一般而言，會進行兩種現(xiàn)場測試：客觀和主觀?？陀^現(xiàn)場測試包括：選擇一個城市場景，并通過搭載待測天線的智能電話建立通話過程，并從基站收集接收功率。該測試的優(yōu)點之一是它不僅復(fù)制了具有多路徑的真實移動傳播環(huán)境，還考慮到與用戶的交互，即頭部和手部。與客觀測試不同，主觀測試執(zhí)行相同的過程，但不收集功率數(shù)據(jù)，而是考慮用戶感受到的音頻質(zhì)量。

 

客觀現(xiàn)場測試有如下標準程序。選取周邊有建筑物、火車軌道和道路的市區(qū)。用戶1用正常姿勢手持裝有待測天線的智能電話，從起點走到終點，形成一段閉合路徑9。接著，用戶2呼叫用戶1完成通話。用戶1用步行速度移動時，借助GSM現(xiàn)場測試的應(yīng)用程序，可將接收功率表示為位置的函數(shù)。在無天線和原始天線兩種模式下，對兩個頻段GSM900和UMTS都進行測試。

 

如圖9所示，結(jié)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，但無天線解決方案能夠達到甚至提高商業(yè)智能手機中原本傳統(tǒng)天線的性能指標。

 

圖9：比較原始PIFA天線和無天線系統(tǒng)的客觀現(xiàn)場測試結(jié)果：在GSM900（a）和UMTS（b）上工作的原始天線，以及GSM900（c）和UMTS（d）上的天線增強器。

 

這表明無天線系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)天線和大尺寸PIFA天線相當?shù)臒o源特性，還可以在現(xiàn)實情況中的有源無線或移動平臺上發(fā)揮良好的性能。

 

 

無天線無線架構(gòu)為完成無線/移動設(shè)備的設(shè)計提供了一套新的工具和方法。這項新技術(shù)融合了天線和微波工程，提供快速、簡單、有效的設(shè)計結(jié)構(gòu)。隨著新型微型SMD天線增強器的引入，天線部件得以標準化，天線-微波工程師能夠像設(shè)計濾波器一樣進行快速、靈活、模塊化的天線系統(tǒng)設(shè)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，所以通過規(guī)模經(jīng)濟可以實現(xiàn)潛在的低成本解決方案。

 

一些實驗和大量的結(jié)果表明，無天線系統(tǒng)節(jié)省了設(shè)備的成本和體積的同時，其性能不輸常規(guī)系統(tǒng)。雖然增強器的體積比同等的LDS天線減小了八至十倍，但無天線模式的無源參數(shù)（輻射效率、VSWR、隔離）和有源參數(shù)（TIS、TIR）通常與常規(guī)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.

 

（來源：微波雜志）