使用芯片和貼片天線解決多頻帶射頻問(wèn)題

2017-08-11  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

智能手機(jī)和可穿戴電子設(shè)備等手持和便攜式無(wú)線產(chǎn)品依賴可置入設(shè)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(tǒng)中攜帶多頻帶天線陣列的問(wèn)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(guān)問(wèn)題。

為解決這些問(wèn)題,設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用新的設(shè)計(jì)和電路方法,讓這些天線不只成為一個(gè)獨(dú)立的元器件,而是成為能夠化解上述諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的動(dòng)態(tài)天線子系統(tǒng)的一部分。這一設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變需要進(jìn)行大量仿真和分析,而不斷改進(jìn)的場(chǎng)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(tǒng)的外部鞭形或短截天線過(guò)渡至芯片和貼片天線的原因很多,首當(dāng)其沖的是外部天線存在的美觀性和易折性問(wèn)題。從性能的角度而言,智能手機(jī)等設(shè)備在給定的頻帶往往需要多個(gè)天線才能提供天線分集,進(jìn)而改善性能。此外,多頻帶設(shè)備(尤其是與新興的5G 標(biāo)準(zhǔn)兼容的設(shè)備)在其必須支持的每個(gè)頻帶,都需要單獨(dú)的獨(dú)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(jié)構(gòu)構(gòu)成在目標(biāo)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。

使用芯片和貼片天線解決多頻帶射頻問(wèn)題HFSS培訓(xùn)的效果圖片1

圖1:沒(méi)有體積小、成本低且易于應(yīng)用的陶瓷芯片天線,許多便攜式無(wú)線設(shè)備將無(wú)從實(shí)現(xiàn)。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(lái)源:Johanson Technology)

我們用兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)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(wú)需考慮方向(圖2)。類(lèi)似這樣的天線在便攜式和手持無(wú)線設(shè)備中已得到廣泛的成功應(yīng)用。盡管芯片天線自身很簡(jiǎn)單,但設(shè)計(jì)人員必須將相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器電路與其50 ? 標(biāo)準(zhǔn)阻抗相匹配。當(dāng)在分集架構(gòu)中使用多個(gè)芯片天線時(shí),這可能成為一大難題。

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圖2:Johanson 描述了芯片天線在全部三個(gè)軸(自上而下分別為:a) XY、b) XZ 和c) YZ)上的輻射模式;請(qǐng)注意,該模式在所有三個(gè)軸上近乎全向。(圖片來(lái)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)。

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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(nèi)保持2:1 的VSWR。(圖片來(lái)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(diǎn),它們看起來(lái)是可滿足眾多無(wú)線需求的最優(yōu)解決方案。盡管很多情況下的確如此,但在現(xiàn)實(shí)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(duì)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(chǎn)品是貼片天線(圖4)。盡管它的尺寸比芯片設(shè)計(jì)要大,但相當(dāng)扁平,因此往往能夠沿產(chǎn)品外殼的內(nèi)側(cè)放置,遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)在內(nèi)的2 x 2 多路輸入、多路輸出(MIMO) LTE 應(yīng)用。盡管該天線的尺寸大于芯片天線(約為8.8 英寸長(zhǎng) ×0.8 英寸高),但根據(jù)所支持的具體頻帶,其效率可達(dá)55% 至75%(圖5)。

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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(chǎn)品外殼的內(nèi)部,遠(yuǎn)離板和電路。(圖片來(lái)源:Pulse Electronics)

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圖5:適用于2 x 2 MIMO 4G/LTE 的W6112B0100 設(shè)計(jì)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(gè)頻帶工作,并能保持較高的效率。(圖片來(lái)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(gè)或多個(gè)蝕刻層來(lái)創(chuàng)建天線。此解決方案沒(méi)有直接的BOM 成本,并且極度靈活,因?yàn)樗苡糜趧?chuàng)建使用分立元器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的定制或獨(dú)特天線。單一的印制線天線可以覆蓋包括濾波在內(nèi)的多個(gè)頻帶,并且支持多極化。

但天下沒(méi)有“免費(fèi)的午餐”,因?yàn)橛≈凭€天線往往需要占用大量的PC 板空間,而且它的性能會(huì)受附近布局、元器件貼裝和元器件類(lèi)型的很大影響。理論上的印制線天線與其實(shí)際安裝之間存在可能很難逾越的重大差距。

當(dāng)系統(tǒng)包含多個(gè)天線,而拓?fù)湟笤谔炀€之間切換時(shí),就會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題——如何實(shí)現(xiàn)切換。機(jī)電開(kāi)關(guān)很有效,并且具有出色的電氣規(guī)格,但對(duì)于小型或便攜式設(shè)備以及需要快速開(kāi)關(guān)的設(shè)備而言,這顯然不切實(shí)際。相反,應(yīng)使用電子開(kāi)關(guān),通常是基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)(參見(jiàn)“射頻開(kāi)關(guān)如何以及為何使用PIN 二極管”)或固態(tài)開(kāi)關(guān)(參見(jiàn)“半導(dǎo)體射頻開(kāi)關(guān):體積小但性能強(qiáng)的電路元器件”)。盡管有時(shí)需要PIN 二極管的屬性,但與基于PIN 二極管的開(kāi)關(guān)相比,固態(tài)開(kāi)關(guān)更容易使用和引入到電路設(shè)計(jì)中。

例如,Peregrine Semiconductor 的PE42422MLAA-Z 是一款不含任何移動(dòng)零件的基本SPDT 射頻開(kāi)關(guān),適合在5 MHz 至6 GHz 頻帶工作。將其引入到電路設(shè)計(jì)時(shí),面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)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(jié)合了板載的CMOS 控制邏輯和低壓CMOS 兼容型控制接口,無(wú)需外部元器件。它通常能在2 毫秒內(nèi)完成通道切換。

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圖6:當(dāng)有多個(gè)天線時(shí),往往需要在天線之間切換射頻信號(hào)路徑。純電子射頻SPDT 開(kāi)關(guān)(例如Peregrine Semiconductor 的PE42422MLAA-Z)提供的方法只需通過(guò)簡(jiǎn)單的安裝和控制便能做到這一點(diǎn),而且在5 MHz 至6 GHz 頻帶范圍的開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為2 毫秒。(圖片來(lái)源:Peregrine Semiconductor)

插入損耗的范圍為0.23 dB (100 MHz) 至0.9 dB (6 GHz),整個(gè)范圍內(nèi)的三階交調(diào)點(diǎn)(IIP3) 為75 dBm(最小值)。利用這類(lèi)開(kāi)關(guān),可以輕松地在通用端口與兩個(gè)獨(dú)立端口之間實(shí)現(xiàn)隔離度為68 dB(較低頻率下)至17 dB(較高頻率下)的射頻信號(hào)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(jìn)的技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題

任何天線的性能都會(huì)受到其周邊環(huán)境的影響,包括附近的元器件、屏蔽和封裝等??梢詫?duì)這些元素的效應(yīng)進(jìn)行建模,并在最終設(shè)計(jì)中加以考慮,但這往往需要多次交互才能達(dá)到需求沖突的平衡(參見(jiàn)“了解天線的規(guī)格和操作,第1 部分”和“了解天線的規(guī)格和操作,第2 部分”。

但對(duì)于緊湊的便攜式和手持設(shè)備,問(wèn)題要復(fù)雜得多,因?yàn)樘炀€的周邊環(huán)境一直在變化。用戶在使用時(shí)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(chǎn)品,或?qū)a(chǎn)品放在其他物體的附近。因此,天線處于次優(yōu)環(huán)境中,在此環(huán)境中,天線的有效阻抗和共振頻率會(huì)發(fā)生變化并導(dǎo)致性能下降。

當(dāng)天線的共振頻率發(fā)生偏移時(shí),其呈現(xiàn)給無(wú)線電前端剩余部分的阻抗也會(huì)偏離初始值,造成阻抗失配。阻抗失配會(huì)產(chǎn)生三種效應(yīng)。更多的能量從天線端子反射回來(lái),而不是通過(guò)這些端子;由于負(fù)載牽引的原因,來(lái)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(fù)載而降低。

過(guò)去幾十年里,天線面臨的這一處境導(dǎo)致射頻鏈路預(yù)算不斷下降,從而影響了產(chǎn)品的性能。由于網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)級(jí)性能的提升,這一性能降級(jí)沒(méi)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(jìn)的誤差校正技術(shù),在很大程度上對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償。由于系統(tǒng)級(jí)需求和用戶需求不斷提高,尤其對(duì)于新興的5G 標(biāo)準(zhǔn),這類(lèi)補(bǔ)償可能已經(jīng)“入不敷出”了。

與此情形相關(guān)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(dá)8 到10 dB,并且目前為止我們對(duì)此無(wú)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。可通過(guò)兩種方法來(lái)彌補(bǔ)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(wú)線設(shè)備供應(yīng)商在其最新一代的設(shè)備中已經(jīng)解決了該問(wèn)題。動(dòng)態(tài)調(diào)諧可以補(bǔ)償導(dǎo)致天線共振頻率發(fā)生偏移的頭部和手部效應(yīng)。這是通過(guò)使用閉環(huán)調(diào)諧周期減少天線與功率放大器(PA) 之間的失配以優(yōu)化功率傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖7)。

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圖7:閉環(huán)調(diào)諧用于動(dòng)態(tài)修改阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能及減少損耗。(圖片來(lái)源:Antennasonline.com)

在閉環(huán)調(diào)諧中,將會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)不可避免的反射系數(shù)變化。方法是通過(guò)定向耦合器同時(shí)監(jiān)測(cè)天線端子上的正向功率和反射功率的幅度和相位(參見(jiàn)“微型定向耦合器可滿足緊湊型射頻應(yīng)用的需求”)。然后,系統(tǒng)將合成一個(gè)用于調(diào)整位于天線饋電點(diǎn)的匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)共軛,以增強(qiáng)前端與天線之間的射頻功率傳輸。這可以將損耗減少多達(dá)1 到3 dB。

這種閉環(huán)調(diào)諧方法盡管很有用,但也存在幾點(diǎn)不足。測(cè)量反射系數(shù)的幅度和相位,然后確定共軛匹配,這需要大量的計(jì)算周期和時(shí)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(shí)施復(fù)雜的匹配,需要采用復(fù)雜的匹配電路。使用此方法實(shí)現(xiàn)的性能提升通常為1 到3 dB。

閉環(huán)調(diào)諧的替代方法是孔調(diào)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(diào)諧狀態(tài)),將其諧振恢復(fù)到最大功率傳輸點(diǎn),而不是調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)天線阻抗變化(圖8)。這需要大量小間距的調(diào)諧狀態(tài)。

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圖8.經(jīng)過(guò)孔調(diào)諧的天線會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整天線的諧振長(zhǎng)度以最大限度減少損耗。(圖片來(lái)源:Antennasonline.com)

這種情況下,與閉環(huán)調(diào)諧一樣,將在天線的饋電端子處測(cè)量反射系數(shù)。接著,使用其中的一種方法執(zhí)行此測(cè)量,確定最佳的新調(diào)諧狀態(tài)。其中三種方法為標(biāo)量方法,只需使用簡(jiǎn)單的定向耦合器監(jiān)測(cè)天線端子處的反射功率幅度,然后應(yīng)用不同的計(jì)算方法(被稱為平方擬合、閾值調(diào)整或凹點(diǎn)檢測(cè))。

第四種方法基于矢量,并使用反射系數(shù)的幅度和相位來(lái)確定天線結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)矩陣解,然后確定恢復(fù)天線的共振頻率所需的調(diào)諧器設(shè)置。通??蓽p少2 到4 dB 的損耗。與阻抗匹配結(jié)合使用,總體改進(jìn)范圍為3 到7 dB。

對(duì)設(shè)計(jì)成敗至關(guān)重要的建模和仿真

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鞭形設(shè)計(jì)等外部天線,在設(shè)計(jì)周期的早期只有極少甚至不進(jìn)行任何性能建模。但對(duì)于芯片、PC 板印制線天線,甚至對(duì)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(shí)現(xiàn)都至關(guān)重要。不可能僅通過(guò)構(gòu)建、測(cè)試、修改、重復(fù)和迭代就能找到合適的配置。不僅必須對(duì)天線進(jìn)行建模,還必須對(duì)整個(gè)周邊環(huán)境(PC 板、元器件、外殼甚至用戶的手或頭部位置)進(jìn)行建模和分析。

所幸的是,已經(jīng)有很多先進(jìn)的電磁場(chǎng)解算器應(yīng)用程序包能夠解決仿真問(wèn)題。為其提供支持的是功能強(qiáng)大的PC 或基于云的計(jì)算平臺(tái),它們能夠運(yùn)行這些場(chǎng)解算器執(zhí)行分析所需的海量計(jì)算。這些場(chǎng)解算器還能通過(guò)最小值/最大值試驗(yàn)或跨多個(gè)變量的蒙特卡羅運(yùn)行,來(lái)分析設(shè)計(jì)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(chǎn)生重大影響,實(shí)施“假設(shè)”分析以研究可能的設(shè)計(jì)變更產(chǎn)生的影響,以及突顯設(shè)計(jì)的不足或意外的特征。

總結(jié)

盡管天線的功能很簡(jiǎn)單,但它是將電路中的電功率轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)以及執(zhí)行反向轉(zhuǎn)換的復(fù)雜電磁傳感器。傳統(tǒng)的單元件天線(例如偶極和鞭形天線)現(xiàn)已增強(qiáng)為使用多層陶瓷、扁平貼片結(jié)構(gòu)甚至產(chǎn)品自身的PC 板的一個(gè)或多個(gè)天線。

將這些天線結(jié)合到緊湊型(通常為便攜式)產(chǎn)品,需要仔細(xì)分析整個(gè)系統(tǒng)和封裝,驗(yàn)證天線的理想化性能未受到過(guò)大的影響,并且能夠達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用場(chǎng)解算器軟件可以做到這一點(diǎn),這類(lèi)軟件能夠?yàn)閷?shí)際安裝中的電磁場(chǎng)和天線性能的詳細(xì)建模及相關(guān)計(jì)算提供有力的支持。

作者:Bill Schweber


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