為何說設(shè)計(jì)成敗至關(guān)重要是建模和仿真

智能手機(jī)和可穿戴電子設(shè)備等手持和便攜式無線產(chǎn)品依賴可置入設(shè)備的微型芯片、貼片和印制線天線。盡管這些小型器件解決了在小尺寸系統(tǒng)中攜帶多頻帶天線陣列的問題，但它們也引入了輻射效率下降、阻抗匹配以及與附近物體和人體的交互等相關(guān)問題。

為解決這些問題，設(shè)計(jì)人員開始采用新的設(shè)計(jì)和電路方法，讓這些天線不只成為一個(gè)獨(dú)立的元器件，而是成為能夠化解上述諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的動(dòng)態(tài)天線子系統(tǒng)的一部分。這一設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變需要進(jìn)行大量仿真和分析，而不斷改進(jìn)的場解算器軟件可以滿足這一需求。

芯片、貼片天線提供了折衷之選

從傳統(tǒng)的外部鞭形或短截天線過渡至芯片和貼片天線的原因很多，首當(dāng)其沖的是外部天線存在的美觀性和易折性問題。從性能的角度而言，智能手機(jī)等設(shè)備在給定的頻帶往往需要多個(gè)天線才能提供天線分集，進(jìn)而改善性能。此外，多頻帶設(shè)備（尤其是與新興的 5G 標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備）在其必須支持的每個(gè)頻帶，都需要單獨(dú)的獨(dú)立式天線。盡管有這么多原因，但芯片和貼片天線也有自身的短板。

芯片天線使用多層陶瓷結(jié)構(gòu)構(gòu)成在目標(biāo)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：沒有體積小、成本低且易于應(yīng)用的陶瓷芯片天線，許多便攜式無線設(shè)備將無從實(shí)現(xiàn)。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。（圖片來源：Johanson Technology）

我們用兩個(gè)例子來說明它們的特性。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，盡管它的體積很小，卻能提供近乎全向的輻射模式，而無需考慮方向（圖 2）。類似這樣的天線在便攜式和手持無線設(shè)備中已得到廣泛的成功應(yīng)用。盡管芯片天線自身很簡單，但設(shè)計(jì)人員必須將相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器電路與其 50 ? 標(biāo)準(zhǔn)阻抗相匹配。當(dāng)在分集架構(gòu)中使用多個(gè)芯片天線時(shí)，這可能成為一大難題。

圖 2：Johanson 描述了芯片天線在全部三個(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。（圖片來源：Johanson Technology）

另一款芯片天線是 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。該天線的尺寸為 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 芯片天線可在其主要工作帶寬 2.45 GHz 至 2.7 GHz 范圍內(nèi)保持 2:1 的 VSWR。（圖片來源：Taiyo Yuden）

由于芯片天線具有成本低、體積小和易于使用等特點(diǎn)，它們看起來是可滿足眾多無線需求的最優(yōu)解決方案。盡管很多情況下的確如此，但在現(xiàn)實(shí)中，與所有元器件一樣，芯片天線也有自己的短板。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等。

芯片天線的替代產(chǎn)品是貼片天線（圖 4）。盡管它的尺寸比芯片設(shè)計(jì)要大，但相當(dāng)扁平，因此往往能夠沿產(chǎn)品外殼的內(nèi)側(cè)放置，遠(yuǎn)離元器件和其他輻射模式失真源。

貼片天線（例如 Pulse Electronics 的 W6112B0100）可支持包括智能電表、遠(yuǎn)程監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)在內(nèi)的 2 x 2 多路輸入、多路輸出 (MIMO) LTE 應(yīng)用。盡管該天線的尺寸大于芯片天線（約為 8.8 英寸長 × 0.8 英寸高），但根據(jù)所支持的具體頻帶，其效率可達(dá) 55% 至 75%（圖 5）。

圖 4：貼片天線（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(nèi)部，遠(yuǎn)離板和電路。（圖片來源：Pulse Electronics）

圖 5：適用于 2 x 2 MIMO 4G/LTE 的 W6112B0100 設(shè)計(jì)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。（圖片來源：Pulse Electronics）

第三種天線選擇是 PC 板印制線方法，該方法使用 PC 板的一個(gè)或多個(gè)蝕刻層來創(chuàng)建天線。此解決方案沒有直接的 BOM 成本，并且極度靈活，因?yàn)樗苡糜趧?chuàng)建使用分立元器件無法實(shí)現(xiàn)的定制或獨(dú)特天線。單一的印制線天線可以覆蓋包括濾波在內(nèi)的多個(gè)頻帶，并且支持多極化。

但天下沒有“免費(fèi)的午餐”，因?yàn)橛≈凭€天線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型的很大影響。理論上的印制線天線與其實(shí)際安裝之間存在可能很難逾越的重大差距。

當(dāng)系統(tǒng)包含多個(gè)天線，而拓?fù)湟笤谔炀€之間切換時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這樣的問題——如何實(shí)現(xiàn)切換。機(jī)電開關(guān)很有效，并且具有出色的電氣規(guī)格，但對于小型或便攜式設(shè)備以及需要快速開關(guān)的設(shè)備而言，這顯然不切實(shí)際。相反，應(yīng)使用電子開關(guān)，通常是基于 PIN 二極管的開關(guān)（參見“射頻開關(guān)如何以及為何使用 PIN 二極管”）或固態(tài)開關(guān)（參見“半導(dǎo)體射頻開關(guān)：體積小但性能強(qiáng)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 二極管的開關(guān)相比，固態(tài)開關(guān)更容易使用和引入到電路設(shè)計(jì)中。

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

圖 6：當(dāng)有多個(gè)天線時(shí)，往往需要在天線之間切換射頻信號(hào)路徑。純電子射頻 SPDT 開關(guān)（例如 Peregrine Semiconductor 的 PE42422MLAA-Z）提供的方法只需通過簡單的安裝和控制便能做到這一點(diǎn)，而且在 5 MHz 至 6 GHz 頻帶范圍的開關(guān)時(shí)間僅為 2 毫秒。（圖片來源：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(nèi)的三階交調(diào)點(diǎn) (IIP3) 為 75 dBm（最小值）。利用這類開關(guān)，可以輕松地在通用端口與兩個(gè)獨(dú)立端口之間實(shí)現(xiàn)隔離度為 68 dB（較低頻率下）至 17 dB（較高頻率下）的射頻信號(hào)雙向路由。插入損耗為 0.23 至 1.25 dB，同樣取決于頻率。

采用先進(jìn)的技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)世界的問題

任何天線的性能都會(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(yīng)進(jìn)行建模，并在最終設(shè)計(jì)中加以考慮，但這往往需要多次交互才能達(dá)到需求沖突的平衡（參見“了解天線的規(guī)格和操作，第 1 部分”和“了解天線的規(guī)格和操作，第 2 部分”。

但對于緊湊的便攜式和手持設(shè)備，問題要復(fù)雜得多，因?yàn)樘炀€的周邊環(huán)境一直在變化。用戶在使用時(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?qū)a(chǎn)品放在其他物體的附近。因此，天線處于次優(yōu)環(huán)境中，在此環(huán)境中，天線的有效阻抗和共振頻率會(huì)發(fā)生變化并導(dǎo)致性能下降。

當(dāng)天線的共振頻率發(fā)生偏移時(shí)，其呈現(xiàn)給無線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(yīng)。更多的能量從天線端子反射回來，而不是通過這些端子；由于負(fù)載牽引的原因，來自功率放大器 (PA) 的輸出功率下降；以及天線的輻射效率由于容性負(fù)載而降低。

過去幾十年里，天線面臨的這一處境導(dǎo)致射頻鏈路預(yù)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(tǒng)級性能的提升，這一性能降級沒有引起用戶的注意。更多的蜂窩基站、蜂窩基站天線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(bǔ)償。由于系統(tǒng)級需求和用戶需求不斷提高，尤其對于新興的 5G 標(biāo)準(zhǔn)，這類補(bǔ)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輻射效率損耗。吸收損耗可能高達(dá) 8 到 10 dB，并且目前為止我們對此無能為力。阻抗失配損耗約為 1 到 2 dB，而天線輻射效率損耗約為 2 到 3 dB?？赏ㄟ^兩種方法來彌補(bǔ)阻抗失配和輻射效率損耗：更改天線的匹配電路和更改天線的諧振。

無線設(shè)備供應(yīng)商在其最新一代的設(shè)備中已經(jīng)解決了該問題。動(dòng)態(tài)調(diào)諧可以補(bǔ)償導(dǎo)致天線共振頻率發(fā)生偏移的頭部和手部效應(yīng)。這是通過使用閉環(huán)調(diào)諧周期減少天線與功率放大器 (PA) 之間的失配以優(yōu)化功率傳輸來實(shí)現(xiàn)的（圖 7）。

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

在閉環(huán)調(diào)諧中，將會(huì)實(shí)時(shí)檢測不可避免的反射系數(shù)變化。方法是通過定向耦合器同時(shí)監(jiān)測天線端子上的正向功率和反射功率的幅度和相位（參見“微型定向耦合器可滿足緊湊型射頻應(yīng)用的需求”）。然后，系統(tǒng)將合成一個(gè)用于調(diào)整位于天線饋電點(diǎn)的匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)共軛，以增強(qiáng)前端與天線之間的射頻功率傳輸。這可以將損耗減少多達(dá) 1 到 3 dB。

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

閉環(huán)調(diào)諧的替代方法是孔調(diào)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尺寸（調(diào)諧狀態(tài)），將其諧振恢復(fù)到最大功率傳輸點(diǎn)，而不是調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)天線阻抗變化（圖 8）。這需要大量小間距的調(diào)諧狀態(tài)。

圖 8.經(jīng)過孔調(diào)諧的天線會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整天線的諧振長度以最大限度減少損耗。（圖片來源：Antennasonline.com）

這種情況下，與閉環(huán)調(diào)諧一樣，將在天線的饋電端子處測量反射系數(shù)。接著，使用其中的一種方法執(zhí)行此測量，確定最佳的新調(diào)諧狀態(tài)。其中三種方法為標(biāo)量方法，只需使用簡單的定向耦合器監(jiān)測天線端子處的反射功率幅度，然后應(yīng)用不同的計(jì)算方法（被稱為平方擬合、閾值調(diào)整或凹點(diǎn)檢測）。

第四種方法基于矢量，并使用反射系數(shù)的幅度和相位來確定天線結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)矩陣解，然后確定恢復(fù)天線的共振頻率所需的調(diào)諧器設(shè)置。通常可減少 2 到 4 dB 的損耗。與阻抗匹配結(jié)合使用，總體改進(jìn)范圍為 3 到 7 dB。

對設(shè)計(jì)成敗至關(guān)重要的建模和仿真

對于標(biāo)準(zhǔn)鞭形設(shè)計(jì)等外部天線，在設(shè)計(jì)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 板印制線天線，甚至對于非?？拷驮肼暦糯笃骰蚬β史糯笃鞯馁N片天線而言，天線仿真及其實(shí)現(xiàn)都至關(guān)重要。不可能僅通過構(gòu)建、測試、修改、重復(fù)和迭代就能找到合適的配置。不僅必須對天線進(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)的電磁場解算器應(yīng)用程序包能夠解決仿真問題。為其提供支持的是功能強(qiáng)大的 PC 或基于云的計(jì)算平臺(tái)，它們能夠運(yùn)行這些場解算器執(zhí)行分析所需的海量計(jì)算。這些場解算器還能通過最小值/最大值試驗(yàn)或跨多個(gè)變量的蒙特卡羅運(yùn)行，來分析設(shè)計(jì)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(shè)”分析以研究可能的設(shè)計(jì)變更產(chǎn)生的影響，以及突顯設(shè)計(jì)的不足或意外的特征。

總結(jié)

盡管天線的功能很簡單，但它是將電路中的電功率轉(zhuǎn)換為電磁場以及執(zhí)行反向轉(zhuǎn)換的復(fù)雜電磁傳感器。傳統(tǒng)的單元件天線（例如偶極和鞭形天線）現(xiàn)已增強(qiáng)為使用多層陶瓷、扁平貼片結(jié)構(gòu)甚至產(chǎn)品自身的 PC 板的一個(gè)或多個(gè)天線。

將這些天線結(jié)合到緊湊型（通常為便攜式）產(chǎn)品，需要仔細(xì)分析整個(gè)系統(tǒng)和封裝，驗(yàn)證天線的理想化性能未受到過大的影響，并且能夠達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用場解算器軟件可以做到這一點(diǎn)，這類軟件能夠?yàn)閷?shí)際安裝中的電磁場和天線性能的詳細(xì)建模及相關(guān)計(jì)算提供有力的支持。