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无天线的无线技术:天线与微波工程的联姻
材料来源:《微波杂志》2017年11/12月刊           录入时间:2017/11/27 9:53:31

无天线的无线技术:天线与微波工程的联姻

Antenna-Less Wireless: A Marriage between Antennas and Microwave Engineering

J. Anguera, A. Andújar and C. Puente

Fractus Antennas, Sant Cugat del Vallés, Barcelona, Spain

几十年来,天线和微波工程这两门学科都有着千丝万缕的联系,却又相当独立。二者都具有高度专业性和复杂度,任何一方的专家都不会质疑另一方的专业学识。微波工程师主要关注如何通过各种有源(放大器、振荡器、有源调谐器等)和无源(滤波器、耦合器、分离器等)器件来调节无线电波,而天线工程师则一直在研究采用愈发复杂的基于分形及相关天线几何架构来自由操纵电波的创新方法。不过,随着“无天线”技术的引入,这种划分可能会发生根本的改变。相比于传统天线工程,这种技术使得天线设计与滤波器设计变得更加相似。

无天线技术的原理是使用一种名为天线增强器的现成标准化微型部件,来替代复杂的定制化天线设计。天线增强器本身即为芯片状,采取表面贴装,从而能够像其它电子元件(如微处理器、存储器、放大器、滤波器或开关)一样完美契合印制电路板。它还能与传统贴片机相结合,使得下一代IoT/移动或无线设备的设计和制造过程更加简单、快速且高效。

对天线和微波工程师而言,微型贴片天线已经问世几十年了,那么这些新兴的天线增强器又有何与众不同之处值得关注呢?一大革新点在于它们的多频带能力。传统的微型贴片天线采用高介电常数陶瓷材料,对于窄带单频应用(如蓝牙和GPS)而言性能尚可。单个新型无天线增强器在宽频段(如698至2690MHz)上都可实现完整的移动性能。此外,它们由传统的低成本材料(如环氧玻璃基板或塑料印模组件)制成,使得这种现成的部件能够低价批量生产。

图1描绘了无天线技术为新一代移动/IoT设备带来的根本变化。从早年的板砖手机中短粗的外置单极/偶极天线到最新的天线增强器,天线技术总是在朝减小组件尺寸的同时增加频带数量这一方向发展,经历了巨大的进步。

1:天线的演化:从外接单频天线到微型天线增强器。

天线工程师们对于增加频带数量以及减小天线尺寸的挑战有句口头禅:“尺寸波长一换一。”尽管天线技术一直在进步,不断产生更复杂的形状来满足小空间的多频带需求,然而到了2008至2012年间,似乎遇到了技术瓶颈,天线尺寸无论如何也不能再进一步缩小了。毕竟,Chu和Wheeler在二十世纪四十年代提出的基本限制条件就是:任何比工作波长小的器件(如≤λ/10),它的辐射情况都会受到影响,极端情况下甚至不会产生辐射。那么,这些远低于此限制条件(常为工作波长的1/30或1/50)的小型天线增强器又该如何在移动频率下达到全辐射呢?它们又是如何同时在多个移动/无线波长间实现全辐射的呢?

无天线技术的物理原理

无天线技术的一个关键点在于意识到将一个或多个微型天线增强器与辐射接地面结合在一起的重要性。接地面一般是金属平衡层,用于几乎所有的电子无线设备内,以提供稳定的零电压参考,同时屏蔽一些电磁干扰。接地面在大多数移动和无线设备中都已被集成到单极或贴片等不平衡的天线结构内,亦或是缩小版的倒F天线(IFA)以及平面倒F天线(PIFA)中。

对于这些典型的天线结构而言,接地面对整个天线辐射总是起着重大作用1。如今的新型无天线技术就是在发挥极限:接地面成为系统的唯一辐射元件,而增强器主要是平衡接地面的无功分量,使得电流形式的全RF能量被有的放矢地引入到辐射导电层上。

接地层通常与工作波长尺寸相当,支持多个辐射特征模式,从而能够同时辐射多个波长2。如此一来,由于辐射是从无线设备内部的接地面发出,天线元件被纯无功元件替代,原本的辐射天线换作了能够引发辐射但本身不产生辐射的组件,使得无线设备变为真正意义上的“无天线”。

无天线系统中的这些新无功元件正是所谓的天线增强器。天线增强器是微型无功元件,通常小于最长工作波长的1/20或1/30,可以方便地嵌入到表面贴装(SMD)部件中去3,4。图2就是一个市售天线增强器的例子。它可以采用电或磁性形式,其特征在于导体中具有小导体或小间隙,馈电过程类似于传统的电磁天线4。由于尺寸非常小,这些增强器显然是不谐振的,所以便需要一个匹配网络来为RF前端提供良好匹配。通过遵循微波工程匹配技术,设计恰当的匹配网络,增强器—接地面这一组合能够很容易实现几乎任意移动频段的多频带辐射性能。

2Fractus Antennas研发的CUBE mXTEND™天线增强器的体积仅为125mm3

在许多无天线系统中,最重要的是增强器和匹配网络工作组件都要具有高品质因素(高Q值)。由于辐射主要源自接地层,增强器便基本沦为无功元件,需要具备低损耗以防止在接地层发出辐射前泄露RF功率。成功应用电增强器的设计方案包括使用块状固体金属元件和法拉第笼状金属结构2-4,具有与更大尺寸的定制PIFA或IFA天线相同的整体效率。

无天线系统的一个主要优点是整个系统的频率响应是通过匹配网络而非天线结构和几何形状来实现定制的。一个标准的SMD天线组件,匹配网络通常包含三到七个组件,较常规PIFA天线的一至三个而言稍复杂,从而使得698至2690MHz频率范围内的任何频率响应都能够实现。因此,天线/微波工程师们现在需要转向为每个特定的无线或移动设备设计合适的匹配网络,而不是努力在改变天线形状以匹配无线设备内部结构的同时提供所需的辐射性能。通过摒弃天线这一环节,无线/移动应用设计达到了前所未有的快捷、简洁、可预测。

无天线2G3G4G

下面这个例子说明了移动平台通过与单个天线增强器、匹配网络和接地面的结合,在五个频带上运作的情况。增强器的尺寸为5mm*5mm*5mm,且同时工作于824至960MHz和1710至2170MHz。图3为评估板,包含了增强器、接地面和含六个组件的匹配网络。需要注意的是,在824MHz下,5mm仅为λ/72,远低于小天线的极限5。尽管微型SMD组件与其它贴片天线的组装方式相同,但实际上它通过朝正常移动设备(如手机)大小的接地层导入辐射电流,起到了增强器的作用。天线增强器的实际位置取决于接地面的尺寸。本例中,角落是首选位置。天线增强器相对于接地面的位置对整个辐射系统的效率起着重要决定作用。一旦选择了优选位置,下一步就是提供阻抗匹配。这个两步过程将确保天线系统辐射及接收电磁波的总效率保持最优。

3:基于CUBE mXTEND™天线增强器的五波段单端口移动天线系统示例。评估板包括一个增强器、一个接地层和一个包含六个组件的匹配网络。

如上所述,由于接地面增强器的性质是无功的,所以需要多频带匹配网络来同时匹配两个频率区间(824至960MHz和1710至2170MHz)。这样的设计并不像单波段匹配网络那样简单,后者采用一个L型或π型电路通常便足矣。我们这个例子设计了一个用到六项集总元件的匹配网络。这个设计过程的目标是发生器功率传输到接地面增强器的多少,采用了一种微波计算机辅助设计(CAD)工具按照那个目标进行了优化。当匹配网络设计完成并整合到PCB中后(图3的左上方),我们进行了VSWR及总效率的测量。其结果(图4)显示,运行频段的VSWR≤3,在824至960MHz和1710至2170MHz频率区间上平均总效率分别为56.7%和75.8%。

4:图3中的五波段单端口移动天线的VSWR和包括失配损耗的天线效率。

采用无天线架构设计意味着需要改变范式,天线组件(天线增强器)变为固定部分,RF系统根据每个无线平台和设备的要求不同而变化。例如,RF结构需要扩展频率范围以覆盖从698到2690MHz的全部移动频带,同时要针对不同频率区间使用三个独立的输入端口。这个移动平台虽然有明显差异,但仍可以使用图示的增强器组件进行设计(图5)。在该测试示例中,四个增强器安装在接地面的三个角上,由包含三到四个组件的匹配网络6将每个增强器互连到共面传输线。最低频率端口含两个增强器,以增加总体天线辐射效率,包括最具挑战性的LTE700频段的失配损耗。测试结果如图6所示,表明了即便在低频段,系统还是能够提供46%的平均天线效率,高频段更是高达70%。

5:一个使用了四个相同的天线增强器的三端口移动平台,覆盖从6982690MHz的全频段。

6:三端口移动设计效率和VSWR:(aLTE700频段,(b)低频蜂窝频段,(c)高频蜂窝频段;(d)三种频段间的传输泄漏。

隔离度最差也总是优于15dB,而对于大多数频带和端口组合,隔离度能够高于30至65dB。

图5的例子说明了无天线技术的一些关键特性:灵活性和模块化。几乎任何RF架构都可以使用现成的、相同的天线增强器构建模块来合成。若要将上述设计用于三端口的移动/蓝牙/GPS设计中,天线/微波工程师又该如何进行调整?同样的,把三端口架构和天线增强器与图5的设计相结合,并调整匹配网络以适应蓝牙和GPS即可。

通过选择天线增强器作为RF设计的基本构建模块,微波/天线工程师可以天马行空,不论是提高多变性还是实现MIMO7再到开发出不受用户操作干扰的强大系统,采用多个增强器结合可以解决几乎任何无线难题8

移动平台的无天线性能

我们可能会认为,使用接地面来传递RF辐射电流会导致整个系统比传统模式对干扰及电磁兼容性(EMC)的问题更敏感。不过事实并非如此,因为传统PIFA和IFA天线已经使用接地面来进行辐射1,所以基于增强器的无天线系统并没有什么不同。这一点可以通过在多频带移动平台中集成一个基于增强器的天线来说明(图7a)。将有源测量和现场测试的结果与原本的嵌入式定制PIFA天线的数值进行了比较(图7b)。鉴于用来演示的智能手机轮廓细长,本例使用了更细长的增强器来代替立方天线增强器。增强器尺寸为12mm*3mm*2.4mm,加装在移动设备内的PCB一角,同时移除了现有的激光直接成型(LDS)天线。

7:(a)安装于智能手机PCB角落的12mm×3mm×2.4mm天线增强器;(b)基于增强器的天线整体效率与原始PIFA天线效率之比较。

值得一提的是,原始天线体积为707mm3,而天线增强器的体积仅为86.4mm3——整整小了8倍。尽管小巧许多,集成在智能手机内部的天线增强器在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,如图7b所示。此外,由于增强器—接地面组合的可用带宽较大,无天线这一替代解决方案可以实现原先智能手机不支持的附加频段(LTE2300:2300至2400MHz)。除无源测试外,如图8所示,还进行了总辐射功率(TRP)和总各向同性灵敏度(TIS)的测量。结果与无源数据吻合良好:在850和900MHz频带(LFR)上TRP相近,而在1800和1900MHz频带(HFR)则测到了更高的TRP。至于TIS,需要强调的是LFR的情况下结果是相似的,而在HFR下的值则更好。

8:基于增强器的天线与原始PIFA天线的比较:(aTRPLFR,(bHFR,(cLFRTIS,(dHFR

虽然从暗室等受控环境中得到的无源和有源参数(效率、TRP和TIS)是从技术角度对性能的评估,但包含了多径衰落和人为操作的现场测试更为实际环境中的表现提供了补充信息。比较简单的现场测试会要求使用搭载了待评天线的智能手机与另一用户进行通话。由于现场测试的目的在于模拟实际场景下的性能,所以通常会选择城市场景来进行试验。一般而言,会进行两种现场测试:客观和主观。客观现场测试包括:选择一个城市场景,并通过搭载待测天线的智能电话建立通话过程,并从基站收集接收功率。该测试的优点之一是它不仅复制了具有多路径的真实移动传播环境,还考虑到与用户的交互,即头部和手部。与客观测试不同,主观测试执行相同的过程,但不收集功率数据,而是考虑用户感受到的音频质量。

客观现场测试有如下标准程序。选取周边有建筑物、火车轨道和道路的市区。用户1用正常姿势手持装有待测天线的智能电话,从起点走到终点,形成一段闭合路径9。接着,用户2呼叫用户1完成通话。用户1用步行速度移动时,借助GSM现场测试的应用程序,可将接收功率表示为位置的函数。在无天线和原始天线两种模式下,对两个频段GSM900和UMTS都进行测试。

如图9所示,结果表明,在GSM900上,接收功率在两种模式下都比在UMTS处强,这与UMTS处的空间损耗高于GSM(约7dB)以及GSM900基站比UMTS发射功率更大(3dB)(天线增益可认为是相等的)的情况一致。还可以看到,尽管体积减少了八倍,但无天线解决方案能够达到甚至提高商业智能手机中原本传统天线的性能指标。

9:比较原始PIFA天线和无天线系统的客观现场测试结果:在GSM900a)和UMTSb)上工作的原始天线,以及GSM900c)和UMTSd)上的天线增强器。

这表明无天线系统不仅能够实现与传统天线和大尺寸PIFA天线相当的无源特性,还可以在现实情况中的有源无线或移动平台上发挥良好的性能。

总结

无天线无线架构为完成无线/移动设备的设计提供了一套新的工具和方法。这项新技术融合了天线和微波工程,提供快速、简单、有效的设计结构。随着新型微型SMD天线增强器的引入,天线部件得以标准化,天线-微波工程师能够像设计滤波器一样进行快速、灵活、模块化的天线系统设计,再也不需要麻烦的机械定制。此外,由于增强组件是固定的,所以通过规模经济可以实现潜在的低成本解决方案。

一些实验和大量的结果表明,无天线系统节省了设备的成本和体积的同时,其性能不输常规系统。虽然增强器的体积比同等的LDS天线减小了八至十倍,但无天线模式的无源参数(辐射效率、VSWR、隔离)和有源参数(TIS、TIR)通常与常规的相当甚至更好。

参考文献

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, www.fractusantennas.com/wp-content/uploads/2017/06/UM_FR01-S4-250.pdf.

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.


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