天線的發(fā)展及其對(duì)電子系統(tǒng)的影響

引言

隨著多種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在便攜無線設(shè)備中走向融合，客觀上要求在便攜式無線設(shè)備中集成更多的天線，因此，對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師和技術(shù)管理人員來說，掌握天線技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，了解它對(duì)電子設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的潛在影響有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著多種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在便攜無線設(shè)備中獲得應(yīng)用，客觀上要求便攜式無線設(shè)備以有成本效益的方式支持多個(gè)頻段以及多種不同的調(diào)制方式。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為[1]，目前多種無線標(biāo)準(zhǔn)在便攜式無線設(shè)備中的聚合將遵循入門級(jí)、中檔和高檔三種技術(shù)方案(圖1)，采用CMOS數(shù)字無線電技術(shù)和可配置無線電技術(shù)是將來最終的解決方案。

圖1  多種無線標(biāo)準(zhǔn)在便攜式無線設(shè)備中的聚合方案
圖片來源：ST公司

iSuppli的專家認(rèn)為，提高RF部分的集成度將成為發(fā)展的關(guān)鍵。天線作為無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，它的最新發(fā)展趨勢(shì)無疑對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)將產(chǎn)生深刻的影響，本文試圖說明，一些新興的技術(shù)趨勢(shì)有可能顛覆傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方式、方法和流程。

新型屏蔽材料—顛覆傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)流程

萊爾德科技公司(Laird Technology)是無線天線、電磁(EMI)屏蔽材料、汽車天線和熱管理解決方案等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)公司和制造商。該公司的專家認(rèn)為，在把天線設(shè)計(jì)到系統(tǒng)之中的過程中，最為重要的問題之一是解決對(duì)電磁干擾(EMI)的屏蔽問題，如圖2所示紅色部分的設(shè)計(jì)均與電磁干擾的屏蔽有關(guān)。

圖2  隨著天線的增加，EMI屏蔽問題的重要性與日俱增
圖片來源：LairdTech公司

以手機(jī)為例，這包括三個(gè)主要的方面：
萊爾德科技公司針對(duì)上述三個(gè)方面的問題提出了獨(dú)特的解決思路，即在天線設(shè)計(jì)的過程中綜合考慮EMI屏蔽和熱管理問題。例如，最近該公司推出的散熱型電路板屏蔽產(chǎn)品T-BLS系列產(chǎn)品就結(jié)合電磁干擾防護(hù)和熱管理技術(shù)。該全球產(chǎn)品總監(jiān) Steve Ulm就表示，隨著各種應(yīng)用系統(tǒng)使用了更多的功率元件以及封裝密度的不斷提高，先進(jìn)的冷卻技術(shù)變得更加重要，為此，需要用獨(dú)特的方法把熱界面材料和屏蔽產(chǎn)品結(jié)合起來，滿足電路板對(duì)屏蔽和熱管理的要求。據(jù)稱，T-BLS系列產(chǎn)品使用了萊爾德科技的T-flex 600系列導(dǎo)熱填隙材料。

除了把熱界面材料和屏蔽產(chǎn)品結(jié)合起來之外，近來國際上出現(xiàn)了利用有機(jī)屏蔽材料(OSM)來抑制電磁波干擾的發(fā)展趨勢(shì)。這種采用富勒烯形式的純有機(jī)材料在特殊變性處理后形成導(dǎo)電的塑料，在特殊的電磁波屏蔽方面—尤其在高頻、微波頻段—具有吸收和屏蔽作用，因此，正在保形天線設(shè)計(jì)中獲得日益廣泛的應(yīng)用。

在材料的研究和應(yīng)用方面，一些發(fā)達(dá)國家，特別是美國、英國、日本，進(jìn)行了大量的有關(guān)電磁屏蔽材料的理論和應(yīng)用的研究，已經(jīng)形成了生產(chǎn)各種類別和系列規(guī)格的電磁屏蔽材料產(chǎn)業(yè)。目前，已有單層Ag及Ag包覆層的涂料、Ni涂料、Cu涂料，Ni-P合金鍍層及Al濺射層，泡沫金屬，各種襯墊、導(dǎo)電膠、屏蔽窗以及各種金屬纖維(或粉末)或碳黑和磁性鐵氧體粉填充塑料等系列電磁屏蔽材料產(chǎn)品。其中，以涂料為主導(dǎo)產(chǎn)品，其屏蔽效能達(dá)到40dB以上。

目前，國外的發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)多組元整體或多層復(fù)合屏蔽材料。隨著便攜無線設(shè)備的普及應(yīng)用，基于新型電磁屏蔽材料所開發(fā)的一系列板材及產(chǎn)品的市場(chǎng)有望高速成長。

人工磁導(dǎo)體(AMC)—孕育天線設(shè)計(jì)技術(shù)革命

在軟件無線電技術(shù)中要采用直接變頻技術(shù)，它的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是天線、基帶處理和RF下行變換技術(shù)。在直接變頻方案中，接收和發(fā)射機(jī)彼此之間非常敏感，因此，對(duì)隔離度要求很高。

為此，美國的若干企業(yè)研究了一種基于磁場(chǎng)隔離和RF MEMS的天線可重配置技術(shù)，其核心技術(shù)是一種采用MEMS技術(shù)制造的人工磁導(dǎo)體AMC(artifical magnetic conductor)，其特點(diǎn)在于磁場(chǎng)在導(dǎo)體的邊界為零，因而，很容易將線天線直接做在AMC表面的頂層，從而在獲得高效輻射的同時(shí)使天線和電路板、手機(jī)和用戶頭部及手臂之間的隔離度非常高。

此外，高隔離度的最重大意義在于：在用AMC制成的接地板上能將兩付線天線背靠背安裝在非常小的空間內(nèi)，彼此之間幾乎不存在干擾，從而有可能將收發(fā)天線單獨(dú)制作并放在一個(gè)器件之內(nèi)并消除收發(fā)天線之間的相互干擾，收發(fā)天線的匹配也更為容易。此外，開關(guān)到前端之間的多工器、濾波器等也因?qū)崿F(xiàn)了收發(fā)天線的相互獨(dú)立工作而可以省略。 結(jié)合相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)諧電路，可配置天線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很寬的工作頻率。

例如，Thomson硅器件公司就展示了這么一種直接嵌入到PCB夾層中的天線，電子線路部分則做在同一塊電路板上。據(jù)其技術(shù)人員表示，其中，就集成了兩副不同頻率的天線。由此可見，天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)悄然發(fā)生的變化。

除此之外，傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)工程師必須等待電子系統(tǒng)內(nèi)部的其它元件位置固定下來，才能開展天線設(shè)計(jì)。據(jù)報(bào)道，基于AMC技術(shù)的天線具有控制RF信號(hào)傳播路徑的獨(dú)特能力，因而，允許電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品的大小、外形和內(nèi)部元件進(jìn)行定制天線設(shè)計(jì)。正如e-tenna公司的專家所表示，這是天線設(shè)計(jì)中的真正突破所在。

AMC技術(shù)近兩年來受到越來越多的關(guān)注，國外企業(yè)已經(jīng)在相關(guān)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試技術(shù)上展開了專利布局。另外，從半導(dǎo)體廠家提供的MIMO(多輸入多輸出)收發(fā)器來看，RF前端的電路部分正在走向成熟，因此，將為嵌入式可重配置天線技術(shù)的應(yīng)用提供廣闊的發(fā)展空間，基于人工磁導(dǎo)體(AMC)的天線設(shè)計(jì)有望成為重要的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，并將對(duì)整個(gè)電子設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試行業(yè)產(chǎn)生重要的影響。

多天線集成能力—天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域的顛覆性變化

如圖3所示是未來兩年多種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在手機(jī)上聚合的概念圖，從圖中可見聚合的發(fā)展方向很多，這種多樣化應(yīng)用的需求對(duì)多天線集成設(shè)計(jì)提出了要求。

圖3 未來便攜無線設(shè)備將是多種技術(shù)融合的平臺(tái)

在此，值得關(guān)注的是Ethertronics公司的獨(dú)特的隔離磁偶極子天線(Isolated Magnetic Dipole, IMD)。據(jù)該公司市場(chǎng)營銷副總裁Rick Segil介紹，利用其創(chuàng)新的IMD技術(shù)，系統(tǒng)制造商能夠把越來越多的功能集成到它們的設(shè)備之中，并持續(xù)縮小整個(gè)手機(jī)和其它便攜無線設(shè)備的外形尺寸。

采用IMD技術(shù)設(shè)計(jì)的天線的主要特色在于：
*限制天線單元上的電流；
*優(yōu)化天線的隔離以提供更多的天線集成能力；
*以更緊湊的形狀因子實(shí)現(xiàn)最小化SAR(輻射吸收率)；
*容許RF工程師獨(dú)立地調(diào)節(jié)天線和天線的饋線；

據(jù)該公司介紹，利用IMD技術(shù)可以把蜂窩電話、移動(dòng)電視接收機(jī)、GPS、藍(lán)牙、WiFi和WiMAX的多種天線都可以集成在一起，從而為便攜無線設(shè)備提供更為強(qiáng)大的功能，這毫無疑問是便攜無線設(shè)備天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域最具有顛覆性意義的趨勢(shì)。

圖4 IMD天線與傳統(tǒng)的PiFA的比較

Rick Segil表示，今后天線設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是“5個(gè)頻段(850/900/1800/1900/2100)的集成構(gòu)成主蜂窩電話天線，并結(jié)合多個(gè)二級(jí)天線，包括GPS和藍(lán)牙天線等等?！彼麖?qiáng)調(diào)說， Ethertronics公司的IMD技術(shù)與其它技術(shù)的差異在于：具有更好的選擇性和較高的隔離性能，能夠降低整體的耦合效應(yīng)。

結(jié)語

隨著多種天線在便攜無線設(shè)備上的聚合可見，傳統(tǒng)的“各自為政”式的天線設(shè)計(jì)方法將難以適應(yīng)發(fā)展的需要。在多天線便攜無線設(shè)備的設(shè)計(jì)中，天線設(shè)計(jì)、電磁屏蔽和熱管理的協(xié)同設(shè)計(jì)將對(duì)過去的設(shè)計(jì)方法和流程產(chǎn)生沖擊，值得設(shè)計(jì)行業(yè)關(guān)注。隨著新材料和天線設(shè)計(jì)新技術(shù)的發(fā)展，多天線集成能力將為電子系統(tǒng)制造商進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供更多的選擇。

需要注意的是：隨著多天線集成技術(shù)的發(fā)展，天線設(shè)計(jì)將比以往任何時(shí)候都要復(fù)雜，需要從事信號(hào)處理與天線設(shè)計(jì)的企業(yè)開展合作，才能發(fā)揮多天線集成所帶來的好處，例如，TI與ArrayComm攜手開發(fā)無線局端應(yīng)用的智能天線技術(shù)，標(biāo)志著多種天線聚合起來之后，最為關(guān)鍵的是信號(hào)處理，它對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的質(zhì)量有著舉足輕重的作用，與此同時(shí)，也將對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)鏈產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和變革。

參考文獻(xiàn)：
 1.  Trends of the wireless semiconductor industry， Minatec CrossRoads 2006 E. Filippi – Advanced System Technology, STMicroelectronics
2.  www.lairdtech.com
3. http://www.prnewswire.com/cgi-bin/stories.pl?ACCT=104&STORY=/www/story/03-18-2002/0001688482&EDATE=，e-tenna Corporation Unveils ClearLink 2400 Antenna, Reducing Size, Cost and Design Cycle of Bluetooth, Wi-Fi Devices
4. http://www.ethertronics.com/