無天線技術(shù)離我們有多遠(yuǎn)？

幾十年來，天線和微波工程這兩門學(xué)科都有著千絲萬縷的聯(lián)系，卻又相當(dāng)獨(dú)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(xué)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。

無天線技術(shù)的原理是使用一種名為天線增強(qiáng)器的現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)化微型部件，來替代復(fù)雜的定制化天線設(shè)計。天線增強(qiáng)器本身即為芯片狀，采取表面貼裝，從而能夠像其它電子元件（如微處理器、存儲器、放大器、濾波器或開關(guān)）一樣完美契合印制電路板。它還能與傳統(tǒng)貼片機(jī)相結(jié)合，使得下一代IoT/移動或無線設(shè)備的設(shè)計和制造過程更加簡單、快速且高效。

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(qiáng)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(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(lán)牙和GPS）而言性能尚可。單個新型無天線增強(qiáng)器在寬頻段（如698至2690MHz）上都可實(shí)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(jī)中短粗的外置單極/偶極天線到最新的天線增強(qiáng)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(jìn)步。

圖1：天線的演化：從外接單頻天線到微型天線增強(qiáng)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?！北M管天線技術(shù)一直在進(jìn)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(jìn)一步縮小了。畢竟，Chu和Wheeler在二十世紀(jì)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(yuǎn)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(qiáng)器又該如何在移動頻率下達(dá)到全輻射呢？它們又是如何同時在多個移動/無線波長間實(shí)現(xiàn)全輻射的呢？

無天線技術(shù)的物理原理

無天線技術(shù)的一個關(guān)鍵點(diǎn)在于意識到將一個或多個微型天線增強(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)電層上。

接地層通常與工作波長尺寸相當(dāng)，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(qiáng)器。天線增強(qiáng)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(qiáng)器的例子。它可以采用電或磁性形式，其特征在于導(dǎo)體中具有小導(dǎo)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(qiáng)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(dāng)?shù)钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)器—接地面這一組合能夠很容易實(shí)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(qiáng)器的體積僅為125mm3。

在許多無天線系統(tǒng)中，最重要的是增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)定制的。一個標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槊總€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(dá)到了前所未有的快捷、簡潔、可預(yù)測。

無天線2G、3G、4G

下面這個例子說明了移動平臺通過與單個天線增強(qiáng)器、匹配網(wǎng)絡(luò)和接地面的結(jié)合，在五個頻帶上運(yùn)作的情況。增強(qiáng)器的尺寸為5mm*5mm*5mm，且同時工作于824至960MHz和1710至2170MHz。圖3為評估板，包含了增強(qiáng)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(yuǎn)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(shí)際上它通過朝正常移動設(shè)備（如手機(jī)）大小的接地層導(dǎo)入輻射電流，起到了增強(qiáng)器的作用。天線增強(qiáng)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。天線增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)集總元件的匹配網(wǎng)絡(luò)。這個設(shè)計過程的目標(biāo)是發(fā)生器功率傳輸?shù)浇拥孛嬖鰪?qiáng)器的多少，采用了一種微波計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）工具按照那個目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)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(jìn)行了VSWR及總效率的測量。其結(jié)果（圖4）顯示，運(yùn)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(qiáng)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(kuò)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(dú)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(qiáng)器組件進(jìn)行設(shè)計（圖5）。在該測試示例中，四個增強(qiáng)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(qiáng)器互連到共面?zhèn)鬏斁€。最低頻率端口含兩個增強(qiáng)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(dá)70%。

圖5：一個使用了四個相同的天線增強(qiáng)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(qiáng)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(lán)牙/GPS設(shè)計中，天線/微波工程師又該如何進(jìn)行調(diào)整？同樣的，把三端口架構(gòu)和天線增強(qiáng)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(lán)牙和GPS即可。

通過選擇天線增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)MIMO7再到開發(fā)出不受用戶操作干擾的強(qiáng)大系統(tǒng)，采用多個增強(qiáng)器結(jié)合可以解決幾乎任何無線難題8。

移動平臺的無天線性能

我們可能會認(rèn)為，使用接地面來傳遞RF輻射電流會導(dǎo)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(shí)并非如此，因?yàn)閭鹘y(tǒng)PIFA和IFA天線已經(jīng)使用接地面來進(jìn)行輻射1，所以基于增強(qiáng)器的無天線系統(tǒng)并沒有什么不同。這一點(diǎn)可以通過在多頻帶移動平臺中集成一個基于增強(qiáng)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(jìn)行了比較（圖7b）。鑒于用來演示的智能手機(jī)輪廓細(xì)長，本例使用了更細(xì)長的增強(qiáng)器來代替立方天線增強(qiáng)器。增強(qiáng)器尺寸為12mm*3mm*2.4mm，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(jī)PCB角落的12mm×3mm×2.4mm天線增強(qiáng)器；（b）基于增強(qiáng)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(qiáng)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(jī)內(nèi)部的天線增強(qiáng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)原先智能手機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn)提供了補(bǔ)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(jī)與另一用戶進(jìn)行通話。由于現(xiàn)場測試的目的在于模擬實(shí)際場景下的性能，所以通常會選擇城市場景來進(jìn)行試驗(yàn)。一般而言，會進(jìn)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(diǎn)之一是它不僅復(fù)制了具有多路徑的真實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)走到終點(diǎn)，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(jìn)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(qiáng)，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(rèn)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(dá)到甚至提高商業(yè)智能手機(jī)中原本傳統(tǒng)天線的性能指標(biāo)。

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(qiáng)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(dāng)?shù)臒o源特性，還可以在現(xiàn)實(shí)情況中的有源無線或移動平臺上發(fā)揮良好的性能。

總結(jié)

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(xiàng)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(qiáng)器的引入，天線部件得以標(biāo)準(zhǔn)化，天線-微波工程師能夠像設(shè)計濾波器一樣進(jìn)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(jī)械定制。此外，由于增強(qiáng)組件是固定的，所以通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)可以實(shí)現(xiàn)潛在的低成本解決方案。

一些實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dāng)甚至更好。