為何說設計成敗至關重要是建模和仿真

智能手機和可穿戴電子設備等手持和便攜式無線產品依賴可置入設備的微型芯片、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問題。

為解決這些問題，設計人員開始采用新的設計和電路方法，讓這些天線不只成為一個獨立的元器件，而是成為能夠化解上述諸多設計挑戰的動態天線子系統的一部分。這一設計轉變需要進行大量仿真和分析，而不斷改進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，智能手機等設備在給定的頻帶往往需要多個天線才能提供天線分集，進而改善性能。此外，多頻帶設備（尤其是與新興的 5G 標準兼容的設備）在其必須支持的每個頻帶，都需要單獨的獨立式天線。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構構成在目標頻率諧振的元器件（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、成本低且易于應用的陶瓷芯片天線，許多便攜式無線設備將無從實現。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備中已得到廣泛的成功應用。盡管芯片天線自身很簡單，但設計人員必須將相關的驅動器電路與其 50 ? 標準阻抗相匹配。當在分集架構中使用多個芯片天線時，這可能成為一大難題。

圖 2：Johanson 描述了芯片天線在全部三個軸（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，它們看起來是可滿足眾多無線需求的最優解決方案。盡管很多情況下的確如此，但在現實中，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。

芯片天線的替代產品是貼片天線（圖 4）。盡管它的尺寸比芯片設計要大，但相當扁平，因此往往能夠沿產品外殼的內側放置，遠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、遠程監測和物聯網設計在內的 2 x 2 多路輸入、多路輸出 (MIMO) LTE 應用。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），但根據所支持的具體頻帶，其效率可達 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，而是連接到產品外殼的內部，遠離板和電路。（圖片來源：Pulse Electronics）

圖 5：適用于 2 x 2 MIMO 4G/LTE 的 W6112B0100 設計為在 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 板的一個或多個蝕刻層來創建天線。此解決方案沒有直接的 BOM 成本，并且極度靈活，因為它能用于創建使用分立元器件無法實現的定制或獨特天線。單一的印制線天線可以覆蓋包括濾波在內的多個頻帶，并且支持多極化。

但天下沒有“免費的午餐”，因為印制線天線往往需要占用大量的 PC 板空間，而且它的性能會受附近布局、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際安裝之間存在可能很難逾越的重大差距。

當系統包含多個天線，而拓撲要求在天線之間切換時，就會出現這樣的問題——如何實現切換。機電開關很有效，并且具有出色的電氣規格，但對于小型或便攜式設備以及需要快速開關的設備而言，這顯然不切實際。相反，應使用電子開關，通常是基于 PIN 二極管的開關（參見“射頻開關如何以及為何使用 PIN 二極管”）或固態開關（參見“半導體射頻開關：體積小但性能強的電路元器件”）。盡管有時需要 PIN 二極管的屬性，但與基于 PIN 二極管的開關相比，固態開關更容易使用和引入到電路設計中。

例如，Peregrine Semiconductor 的 PE42422MLAA-Z 是一款不含任何移動零件的基本 SPDT 射頻開關，適合在 5 MHz 至 6 GHz 頻帶工作。將其引入到電路設計時，面臨的設計挑戰也較少（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 毫秒內完成通道切換。

圖 6：當有多個天線時，往往需要在天線之間切換射頻信號路徑。純電子射頻 SPDT 開關（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，而且在 5 MHz 至 6 GHz 頻帶范圍的開關時間僅為 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)，整個范圍內的三階交調點 (IIP3) 為 75 dBm（最小值）。利用這類開關，可以輕松地在通用端口與兩個獨立端口之間實現隔離度為 68 dB（較低頻率下）至 17 dB（較高頻率下）的射頻信號雙向路由。插入損耗為 0.23 至 1.25 dB，同樣取決于頻率。

采用先進的技術解決現實世界的問題

任何天線的性能都會受到其周邊環境的影響，包括附近的元器件、屏蔽和封裝等?？梢詫@些元素的效應進行建模，并在最終設計中加以考慮，但這往往需要多次交互才能達到需求沖突的平衡（參見“了解天線的規格和操作，第 1 部分”和“了解天線的規格和操作，第 2 部分”。

但對于緊湊的便攜式和手持設備，問題要復雜得多，因為天線的周邊環境一直在變化。用戶在使用時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）握持產品，或將產品放在其他物體的附近。因此，天線處于次優環境中，在此環境中，天線的有效阻抗和共振頻率會發生變化并導致性能下降。

當天線的共振頻率發生偏移時，其呈現給無線電前端剩余部分的阻抗也會偏離初始值，造成阻抗失配。阻抗失配會產生三種效應。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載而降低。

過去幾十年里，天線面臨的這一處境導致射頻鏈路預算不斷下降，從而影響了產品的性能。由于網絡和系統級性能的提升，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的誤差校正技術，在很大程度上對其進行了補償。由于系統級需求和用戶需求不斷提高，尤其對于新興的 5G 標準，這類補償可能已經“入不敷出”了。

與此情形相關的損耗模式有三種：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 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。

無線設備供應商在其最新一代的設備中已經解決了該問題。動態調諧可以補償導致天線共振頻率發生偏移的頭部和手部效應。這是通過使用閉環調諧周期減少天線與功率放大器 (PA) 之間的失配以優化功率傳輸來實現的（圖 7）。

圖 7：閉環調諧用于動態修改阻抗匹配網絡以實現最優性能及減少損耗。（圖片來源：Antennasonline.com）

在閉環調諧中，將會實時檢測不可避免的反射系數變化。方法是通過定向耦合器同時監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用的需求”）。然后，系統將合成一個用于調整位于天線饋電點的匹配網絡的復數共軛，以增強前端與天線之間的射頻功率傳輸。這可以將損耗減少多達 1 到 3 dB。

這種閉環調諧方法盡管很有用，但也存在幾點不足。測量反射系數的幅度和相位，然后確定共軛匹配，這需要大量的計算周期和時間，或者需要使用查詢表。查詢表的速度較快，但精度較低。為實施復雜的匹配，需要采用復雜的匹配電路。使用此方法實現的性能提升通常為 1 到 3 dB。

閉環調諧的替代方法是孔調諧，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（調諧狀態），將其諧振恢復到最大功率傳輸點，而不是調整匹配網絡以適應天線阻抗變化（圖 8）。這需要大量小間距的調諧狀態。

圖 8.經過孔調諧的天線會動態調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，與閉環調諧一樣，將在天線的饋電端子處測量反射系數。接著，使用其中的一種方法執行此測量，確定最佳的新調諧狀態。其中三種方法為標量方法，只需使用簡單的定向耦合器監測天線端子處的反射功率幅度，然后應用不同的計算方法（被稱為平方擬合、閾值調整或凹點檢測）。

第四種方法基于矢量，并使用反射系數的幅度和相位來確定天線結構的 S 參數矩陣解，然后確定恢復天線的共振頻率所需的調諧器設置。通?？蓽p少 2 到 4 dB 的損耗。與阻抗匹配結合使用，總體改進范圍為 3 到 7 dB。

對設計成敗至關重要的建模和仿真

對于標準鞭形設計等外部天線，在設計周期的早期只有極少甚至不進行任何性能建模。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，天線仿真及其實現都至關重要。不可能僅通過構建、測試、修改、重復和迭代就能找到合適的配置。不僅必須對天線進行建模，還必須對整個周邊環境（PC 板、元器件、外殼甚至用戶的手或頭部位置）進行建模和分析。

所幸的是，已經有很多先進的電磁場解算器應用程序包能夠解決仿真問題。為其提供支持的是功能強大的 PC 或基于云的計算平臺，它們能夠運行這些場解算器執行分析所需的海量計算。這些場解算器還能通過最小值/最大值試驗或跨多個變量的蒙特卡羅運行，來分析設計容差的影響。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生重大影響，實施“假設”分析以研究可能的設計變更產生的影響，以及突顯設計的不足或意外的特征。

總結

盡管天線的功能很簡單，但它是將電路中的電功率轉換為電磁場以及執行反向轉換的復雜電磁傳感器。傳統的單元件天線（例如偶極和鞭形天線）現已增強為使用多層陶瓷、扁平貼片結構甚至產品自身的 PC 板的一個或多個天線。

將這些天線結合到緊湊型（通常為便攜式）產品，需要仔細分析整個系統和封裝，驗證天線的理想化性能未受到過大的影響，并且能夠達成設計目標。利用場解算器軟件可以做到這一點，這類軟件能夠為實際安裝中的電磁場和天線性能的詳細建模及相關計算提供有力的支持。