有关移动设备天线设计的一些新思考

2019-01-14
14:00:17
来源: 半导体行业观察

如何将越来越多的天线塞进越来越小的移动设备? 这个问题困扰了设计师数十年。 人们总认为,答案很简单:用更小的天线或将天线更紧密地排布就能解决问题。殊不知,天线的尺寸和位置都有基本的限制。天线以电磁波的形式向多个方向发射能量。单独一根天线,一切都很好。如增加一根天线,第二根天线就会淹没在第一根天线发射出的强大信号之中,降低其接收微弱信号的能力。

两根天线,情况已经很糟了。但目前,一台普通智能设备可配备多根天线,包括一两根Wi-Fi天线,一根蓝牙天线,一根GPS天线,两根或四根4G LTE蜂窝通信天线。

LTE天线多重性是规范标准,这是为了避免手机掉线,比方说,在通话时用手遮挡了一根天线,就会产生干扰。同一通信链路拥有多个天线可使手机运营商合并多个数据流,提升数据传输速率。不久的将来,5G通信还会增加这种合并的复杂性。手机的可用频带将扩展至6千兆赫(GHz),现有天线的任务会更艰巨,同时要求天线运行在28 GHz和37 GHz频段。

设备设计师必须假设同一个组件中的所有天线同时工作。确实如此,设备常常在通过Wi-Fi或蜂窝网络播放流媒体视频的同时运行使用GPS和蓝牙的App。芯片集制造商一直致力于功能合并,如使Wi-Fi和蓝牙共用一个天线。设计两个协同合作的系统是有益的,但这只能解决问题的皮毛。

所以现在的问题是,在一个狭小的物理空间内,多根天线要互不干扰地同时工作。设计人员曾试图通过减小天线的尺寸、增强天线的方向性来解决这一问题。他们还曾寻求更有效的天线隔离方法,但棘手的是可用空间太小。

唯一合理的方案是采用新的天线设计方法。不是制造单个天线,让设计师选择放置位置,而是设计一套可作为一个系统共同工作的天线组合,然后将该系统作为一个整体单元安装到移动设备中。

有关移动设备天线设计的一些新思考

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在深入讨论此方法前, 我们应当回顾一些天线基础知识。天线就是一个换能器,多为铜制,在接收信号时获取发送过来的能量,并将信号传送给无线电芯片组。芯片组接收此模拟信号并将其转换为数字信号,供设备主处理器使用。信号发射过程与此相反。

天线又如音叉,仅在自然共振的频率上能有效获取能量。通常,天线的共振频率取决于物理尺寸,但也可以在不改变尺寸的情况下,通过增加电子元件“调整”天线的共振频率。为了将天线排布在一个小空间,设计师要将它们扭成各式形状。但是,天线的形状和天线之间的距离是有物理限制的。

最初,移动电话只有一个天线,用于接收和传输蜂窝信号。那时,从手持部位伸出的天线是可识别的,有的是可伸缩折叠的,有的就是一个隆起的凸块。在很大程度上,当时这是一个美学设计。但它确实给天线设计师很多空间来进行优化,获得最佳的信号接收效果。

今天时尚的设备已经放弃了这种样式,即使保留这种样式也无济于事。层出不穷的手机功能迫使天线数量成倍增加,这些天线挤在一起是不能工作的,相互干扰将破坏其功能。

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当下,设计人员将不同的天线排布在手机四周的不同位置,通常是手机壳边缘和后部,减少天线的彼此干扰,但很难避免用户手遮信号。还记得iPhone 4的问题吗?只要用户改变手持手机的位置,就会造成这款手机信号的减弱,让人大为恼火。这件事引发了使用多根同频天线的热潮,这些天线通常在手机底部和顶部以及左上角和右下角成对排布。

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时代在发展, 移动设备越来越纤巧,功能越来越多,这要归功于摩尔定律对其中多数电子器件的影响。但摩尔定律对天线没有帮助。天线设计是模拟电子技术最后的堡垒。通过巧妙的工程设计发现传导材料的新形状,或以不同组合配对传导材料,可以保持天线的共振频率,体积上也可做得更小,但往往无法做到低成本和高性能。有时甚至会使性能降低到不能正常使用的地步。有人曾从亚洲购买过一台早期的智能手机,发现打开Wi-Fi后无法使用GPS。

将一大把天线塞入小小的手机遇到了困难,笔记本电脑也面临同样的窘境。表面看来,笔记本电脑制造者有更多的空间来排布天线,但他们越来越多地使用金属和碳纤维做设备外壳。这些材质耐用且美观,但其导电性或吸收性会阻挡无线电信号。因此,天线往往排布于显示屏的铰链轴或塑料边框内。可用空间越来越狭小。

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巴塞罗那的Fractus公司正试图解决这一问题。该公司研制出边长仅有几毫米的微小天线,Fractus公司称之为“隐形”天线,可在窄带(如单一Wi-Fi频道)较好地工作。

另一种方法是使用多个定向天线,动态选择接收指定频率信号效果最佳的天线。通常此项技术用于Wi-Fi路由器卓有成效。但它在较小的空间内效果欠佳,因为无法选择天线的形状与位置,所以通常不用于小型移动设备。

将天线排布到狭小空间而不受干扰的一种更加传统的方式是“极化”。这个概念与偏光太阳镜的原理类似。偏光太阳镜涂膜中的分子排列整齐,只允许特定方向的光通过,可以减少眩光。在最简单的情况下,垂直放置天线发送的极化无线电波与水平放置天线成直角,当两个不同方向的天线同时发射电波时,相互干扰的程度要比同一方向上的天线小得多。同样,每个天线都可以更好地接收到微弱的远距离信号。遗憾的是,设计人员发现,由于当前产品的物理局限,该技术的实施颇具挑战性,特别是在多于两个信号的情况下。

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我们位于英国伯明翰的智能天线技术公司(Smart Antenna Technologies)采取了不同的方式。 我们承认天线挤在一起发射射频信号,会彼此干扰,我们认为专注于设计一根完美的天线是无意义的。

为了防止天线互相干扰,我们能做的就是使用标准极化技术,同时我们改变天线的三维物理形状,使天线具有方向性,而且天线的方向彼此相反。

为让天线更易于撇开外来无关信号,我们尝试以非传统的方式使用滤波器。通常,天线使用的滤波器为带通滤波器,仅允许指定频带的信号通过。目前,此类滤波多为数字滤波。数字带通滤波器的问题是要在模拟信号到达接收器并转变为数字流后才可使用。这就太迟了,无法避免无线电工程师所称的“灵敏度劣化”问题:如果需阻隔的带外信号拥有足够的能量,那么在大功率信号存在时以及其后的一段时间内,接收器将无法检测到较弱的信号;能量差异可能极大——比如,无用信号为1瓦,而目标信号为3毫瓦。

将多根天线装入常见物联网设备的狭小空间,这种挑战令人生畏。我们采用完全相反的方法。我们已知周围天线发射的频率,因此用模拟滤波器搜寻特定的频率,并将这些信号短路接地,耗散它们的能量,同时指定的信号可无干扰地通过接收器。我们使用的也是标准的模拟设计技术。例如,在指定频率点,用信号匹配识别传输信号。此方法的关键在于前端滤波(属于模拟技术),并在信号到达标准接收器和模拟-数字转换器之前,动态地转变信号。

有关移动设备天线设计的一些新思考

应用所有这些技术,我们可以在几厘米的空间内紧密地排布天线。但要将它们全部合理地放置在三维空间中并实现协调工作,这并非易事。我们不能将这一步留给设备设计人员或制造商来解决,因此也不是在制造单个组件,而是移动设备所需的一整套天线。这套天线集成在一个0.44毫米厚的柔性印制电路板上,柔性设计降低了制造成本。 我们可先在二维空间加工,然后再转为三维封装——制作一个塑料模型,再用柔性电路板将它裹起来。

其中一种模型呈细长形,横截面是三角形。我们的电路板沿三角形的顶点环绕折叠。一些天线呈L型,一些呈矩形,还有一些根据特定设备的内部空间定制。

对于超高性能的天线,我们使用更精准的制造方法——激光直接成型。用这种方法,我们能够创造出更复杂的塑性模型,并直接在其结构上构建天线。这一技术先是注塑成型一个部件,该部件由掺杂绝缘金属的塑料制成。然后用激光在塑料上绘出电路图形。金属添加剂使激光照射过的区域变粗糙。对材料进行无电极电镀时,粗糙区域将会填充铜或其他导电金属。

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由于人们对移动设备天线的要求只会越来越高, 我们认为这种天线设计方法是未来天线发展的方向。

数据传输速度将会提升。当前的4G技术通常能够达到每秒100兆字节(MB),而5G预计将达到每秒1~10千兆字节(GB)。这就需要增加带宽;有人说带宽将增加到2 GHz。频率也在提升,5G频率将是28 GHz和70 GHz。

由于5G所需频率很高,移动设备将使用类似天线阵列来获得相应的性能,然后通过相移来调整信号,将其组合成一个拥有所需强度的信号。考虑到手机还必须具备全套的传统天线,至少在不久的将来,移动设备内部空间的激烈争夺将使集成天线成为必需品。

我们公司将使用这些技术制造的首批商业天线应用在主流制造商的平板电脑和笔记本电脑。

诚然,将天线塞入手机中相当棘手。但将多个天线排布到普通物联网设备的狭小空间中更是困难重重。然而,商业实例表明,这些困难即将被克服。我们拭目以待。

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