【導(dǎo)讀】無(wú)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(lái)替代復(fù)雜的定制化天線設(shè)計(jì)。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(chǔ)器、放大器、濾波器或開(kāi)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(dòng)或無(wú)線設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程更加簡(jiǎn)單、快速且高效。
幾十年來(lái)，天線和微波工程這兩門學(xué)科都有著千絲萬(wàn)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(huì)質(zhì)疑另一方的專業(yè)學(xué)識(shí)。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(diào)諧器等）和無(wú)源（濾波器、耦合器、分離器等）器件來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)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(lái)自由操縱電波的創(chuàng)新方法。不過(guò)，隨著“無(wú)天線”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(tǒng)天線工程，這種技術(shù)使得天線設(shè)計(jì)與濾波器設(shè)計(jì)變得更加相似。
對(duì)天線和微波工程師而言，微型貼片天線已經(jīng)問(wèn)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(duì)于窄帶單頻應(yīng)用（如藍(lán)牙和GPS）而言性能尚可。單個(gè)新型無(wú)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(dòng)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(jià)批量生產(chǎn)。
圖1描繪了無(wú)天線技術(shù)為新一代移動(dòng)/IoT設(shè)備帶來(lái)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(shí)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(duì)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(zhǎng)一換一。”盡管天線技術(shù)一直在進(jìn)步，不斷產(chǎn)生更復(fù)雜的形狀來(lái)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(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(jì)四十年代提出的基本限制條件就是：任何比工作波長(zhǎng)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(yuǎn)低于此限制條件（常為工作波長(zhǎng)的1/30或1/50）的小型天線增強(qiáng)器又該如何在移動(dòng)頻率下達(dá)到全輻射呢？它們又是如何同時(shí)在多個(gè)移動(dòng)/無(wú)線波長(zhǎng)間實(shí)現(xiàn)全輻射的呢？
無(wú)天線技術(shù)的物理原理
無(wú)天線技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于意識(shí)到將一個(gè)或多個(gè)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(wú)線設(shè)備內(nèi)，以提供穩(wěn)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(shù)移動(dòng)和無(wú)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(duì)于這些典型的天線結(jié)構(gòu)而言，接地面對(duì)整個(gè)天線輻射總是起著重大作用1。如今的新型無(wú)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(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(dǎo)電層上。
接地層通常與工作波長(zhǎng)尺寸相當(dāng)，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(zhǎng)2。如此一來(lái)，由于輻射是從無(wú)線設(shè)備內(nèi)部的接地面發(fā)出，天線元件被純無(wú)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(wú)線設(shè)備變?yōu)檎嬲饬x上的“無(wú)天線”。
無(wú)天線系統(tǒng)中的這些新無(wú)功元件正是所謂的天線增強(qiáng)器。天線增強(qiáng)器是微型無(wú)功元件，通常小于最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)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(guò)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(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(shè)計(jì)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(dòng)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(wú)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(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(yīng)用電增強(qiáng)器的設(shè)計(jì)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(wú)天線系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)而非天線結(jié)構(gòu)和幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)定制的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SMD天線組件，匹配網(wǎng)絡(luò)通常包含三到七個(gè)組件，較常規(guī)PIFA天線的一至三個(gè)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€(gè)特定的無(wú)線或移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)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(wú)線設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí)提供所需的輻射性能。通過(guò)摒棄天線這一環(huán)節(jié)，無(wú)線/移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)達(dá)到了前所未有的快捷、簡(jiǎn)潔、可預(yù)測(cè)。
無(wú)天線2G、3G、4G
下面這個(gè)例子說(shuō)明了移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)與單個(gè)天線增強(qiáng)器、匹配網(wǎng)絡(luò)和接地面的結(jié)合，在五個(gè)頻帶上運(yùn)作的情況。增強(qiáng)器的尺寸為5mm5mm5mm，且同時(shí)工作于824至960MHz和1710至2170MHz。圖3為評(píng)估板，包含了增強(qiáng)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(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(guò)朝正常移動(dòng)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(duì)于接地面的位置對(duì)整個(gè)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(gè)兩步過(guò)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(dòng)天線系統(tǒng)示例。評(píng)估板包括一個(gè)增強(qiáng)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(qiáng)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(qū)間（824至960MHz和1710至2170MHz）。這樣的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一個(gè)用到六項(xiàng)集總元件的匹配網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工具按照那個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(cè)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(dòng)天線的VSWR和包括失配損耗的天線效率。
采用無(wú)天線架構(gòu)設(shè)計(jì)意味著需要改變范式，天線組件（天線增強(qiáng)器）變?yōu)楣潭ú糠郑琑F系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)無(wú)線平臺(tái)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(dòng)頻帶，同時(shí)要針對(duì)不同頻率區(qū)間使用三個(gè)獨(dú)立的輸入端口。這個(gè)移動(dòng)平臺(tái)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(jì)（圖5）。在該測(cè)試示例中，四個(gè)增強(qiáng)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(qiáng)器互連到共面?zhèn)鬏斁€。最低頻率端口含兩個(gè)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(cè)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(gè)使用了四個(gè)相同的天線增強(qiáng)器的三端口移動(dòng)平臺(tái)，覆蓋從698到2690MHz的全頻段。
圖6：三端口移動(dòng)設(shè)計(jì)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(duì)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(shuō)明了無(wú)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(lái)合成。若要將上述設(shè)計(jì)用于三端口的移動(dòng)/藍(lán)牙/GPS設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)選擇天線增強(qiáng)器作為RF設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)出不受用戶操作干擾的強(qiáng)大系統(tǒng)，采用多個(gè)增強(qiáng)器結(jié)合可以解決幾乎任何無(wú)線難題8。
移動(dòng)平臺(tái)的無(wú)天線性能
我們可能會(huì)認(rèn)為，使用接地面來(lái)傳遞RF輻射電流會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)模式對(duì)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?yàn)閭鹘y(tǒng)PIFA和IFA天線已經(jīng)使用接地面來(lái)進(jìn)行輻射1，所以基于增強(qiáng)器的無(wú)天線系統(tǒng)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(tái)中集成一個(gè)基于增強(qiáng)器的天線來(lái)說(shuō)明（圖7a）。將有源測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(lái)演示的智能手機(jī)輪廓細(xì)長(zhǎng)，本例使用了更細(xì)長(zhǎng)的增強(qiáng)器來(lái)代替立方天線增強(qiáng)器。增強(qiáng)器尺寸為12mm3mm2.4mm，加裝在移動(dòng)設(shè)備內(nèi)的PCB一角，同時(shí)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(wú)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(wú)源測(cè)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(cè)量。結(jié)果與無(wú)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(cè)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(wú)源和有源參數(shù)（效率、TRP和TIS）是從技術(shù)角度對(duì)性能的評(píng)估，但包含了多徑衰落和人為操作的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試會(huì)要求使用搭載了待評(píng)天線的智能手機(jī)與另一用戶進(jìn)行通話。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yàn)。一般而言，會(huì)進(jìn)行兩種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：客觀和主觀。客觀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試包括：選擇一個(gè)城市場(chǎng)景，并通過(guò)搭載待測(cè)天線的智能電話建立通話過(guò)程，并從基站收集接收功率。該測(cè)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(dòng)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(cè)試不同，主觀測(cè)試執(zhí)行相同的過(guò)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(chǎng)測(cè)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(shì)手持裝有待測(cè)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(dòng)時(shí)，借助GSM現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的應(yīng)用程序，可將接收功率表示為位置的函數(shù)。在無(wú)天線和原始天線兩種模式下，對(duì)兩個(gè)頻段GSM900和UMTS都進(jìn)行測(cè)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(wú)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(wú)天線系統(tǒng)的客觀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(wú)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(wú)源特性，還可以在現(xiàn)實(shí)情況中的有源無(wú)線或移動(dòng)平臺(tái)上發(fā)揮良好的性能。
總結(jié)
無(wú)天線無(wú)線架構(gòu)為完成無(wú)線/移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、有效的設(shè)計(jì)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(jì)濾波器一樣進(jìn)行快速、靈活、模塊化的天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(guò)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(wú)天線系統(tǒng)節(jié)省了設(shè)備的成本和體積的同時(shí)，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(wú)天線模式的無(wú)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。
參考文獻(xiàn)
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）
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