為wei解jie決jue這zhe些xie問wen題ti
，設she計ji人ren員yuan開kai始shi采cai用yong新xin的de設she計ji和he電dian路lu方fang法fa，讓rang這zhe些xie天tian線xian不bu隻zhi成cheng為wei一yi個ge獨du立li的de元yuan器qi件jian，而er是shi成cheng為wei能neng夠gou化hua解jie上shang述shu諸zhu多duo設she計ji挑tiao戰zhan的de動dong態tai天tian線xian子zi係xi統tong的de一yi部bu分fen。這zhe一yi設she計ji轉zhuan變bian需xu要yao進jin行xing大da量liang仿fang真zhen和he分fen析xi，而er不bu斷duan改gai進jin的de場chang解jie算suan器qi軟ruan件jian可ke以yi滿man足zu這zhe一yi需xu求qiu。

 

 

從(cong)傳(chuan)統(tong)的(de)外(wai)部(bu)鞭(bian)形(xing)或(huo)短(duan)截(jie)天(tian)線(xian)過(guo)渡(du)至(zhi)芯(xin)片(pian)和(he)貼(tie)片(pian)天(tian)線(xian)的(de)原(yuan)因(yin)很(hen)多(duo)，首(shou)當(dang)其(qi)衝(chong)的(de)是(shi)外(wai)部(bu)天(tian)線(xian)存(cun)在(zai)的(de)美(mei)觀(guan)性(xing)和(he)易(yi)折(zhe)性(xing)問(wen)題(ti)。從(cong)性(xing)能(neng)的(de)角(jiao)度(du)而(er)言(yan)
，智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)等(deng)設(she)備(bei)在(zai)給(gei)定(ding)的(de)頻(pin)帶(dai)往(wang)往(wang)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)天(tian)線(xian)才(cai)能(neng)提(ti)供(gong)天(tian)線(xian)分(fen)集(ji)，進(jin)而(er)改(gai)善(shan)性(xing)能(neng)。此(ci)外(wai)
，多(duo)頻(pin)帶(dai)設(she)備(bei)（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。盡管有這麼多原因，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）。與其他所有表麵貼裝元器件一樣，它們的尺寸很小
，可以輕鬆地貼裝在PC 板上。

 

圖1：沒有體積小、成本低且易於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
，位於廣泛使用的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 是適用於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lei似si這zhe樣yang的de天tian線xian在zai便bian攜xie式shi和he手shou持chi無wu線xian設she備bei中zhong已yi得de到dao廣guang泛fan的de成cheng功gong應ying用yong。盡jin管guan芯xin片pian天tian線xian自zi身shen很hen簡jian單dan，但dan設she計ji人ren員yuan必bi須xu將jiang相xiang關guan的de驅qu動dong器qi電dian路lu與yu其qi50 Ω 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

，用於仿真同樣適合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

，並且可在2.45 GHz 至2.7 GHz 頻帶保持低於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 範圍內保持2:1 的VSWR。（圖片來源：Taiyo Yuden）

 

由於芯片天線具有成本低、體(ti)積(ji)小(xiao)和(he)易(yi)於(yu)使(shi)用(yong)等(deng)特(te)點(dian)，它(ta)們(men)看(kan)起(qi)來(lai)是(shi)可(ke)滿(man)足(zu)眾(zhong)多(duo)無(wu)線(xian)需(xu)求(qiu)的(de)最(zui)優(you)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。盡(jin)管(guan)很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)確(que)如(ru)此(ci)，但(dan)在(zai)現(xian)實(shi)中(zhong)

，與(yu)所(suo)有(you)元(yuan)器(qi)件(jian)一(yi)樣(yang)，芯(xin)片(pian)天(tian)線(xian)也(ye)有(you)自(zi)己(ji)的(de)短(duan)板(ban)。在(zai)此(ci)案(an)例(li)中(zhong)
，它(ta)們(men)的(de)典(dian)型(xing)效(xiao)率(lv)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)
，僅(jin)為(wei)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於芯片天線（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）並非貼裝在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：適用於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
，並能保持較高的效率。（圖片來源：Pulse Electronics）

 

第三種天線選擇是PC 板印製線方法，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 chengben，bingqiejidulinghuo，yinweitanengyongyuchuangjianshiyongfenliyuanqijianwufashixiandedingzhihuodutetianxian。danyideyinzhixiantianxiankeyifugaibaokuolvbozaineideduogepindai
，bingqiezhichiduojihua。

 

但天下沒有“免費的午餐”
，因為印製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。理論上的印製線天線與其實際安裝之間存在可能很難逾越的重大差距。

 

當係統包含多個天線，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hen有you效xiao，並bing且qie具ju有you出chu色se的de電dian氣qi規gui格ge，但dan對dui於yu小xiao型xing或huo便bian攜xie式shi設she備bei以yi及ji需xu要yao快kuai速su開kai關guan的de設she備bei而er言yan
，這zhe顯xian然ran不bu切qie實shi際ji。相xiang反fan，應ying使shi用yong電dian子zi開kai關guan，通tong常chang是shi基ji於yuPIN 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，但與基於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
，麵臨的設計挑戰也較少（圖6）。這款50 Ω 元器件采用微型12 引線2 x 2 mm QFN 封裝，結合了板載的CMOS 控製邏輯和低壓CMOS 兼容型控製接口
，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）提供的方法隻需通過簡單的安裝和控製便能做到這一點
，而且在5 MHz 至6 GHz 頻帶範圍的開關時間僅為2 毫秒。（圖片來源：Peregrine Semiconductor）

 

插入損耗的範圍為0.23 dB (100 MHz) 至0.9 dB (6 GHz)，整個範圍內的三階交調點(IIP3) 為75 dBm（最小值）。利用這類開關
，可以輕鬆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，同樣取決於頻率。

 

 

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。可以對這些元素的效應進行建模，並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衝突的平衡（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”。

 

danduiyujincoudebianxieshiheshouchishebei，wentiyaofuzadeduo，yinweitianxiandezhoubianhuanjingyizhizaibianhua。yonghuzaishiyongshikenengchaobutongdefangxianghuokaojinshentidebutongbuwei（手腕


、頭部或軀幹）握(wo)持(chi)產(chan)品(pin)
，或(huo)將(jiang)產(chan)品(pin)放(fang)在(zai)其(qi)他(ta)物(wu)體(ti)的(de)附(fu)近(jin)。因(yin)此(ci)，天(tian)線(xian)處(chu)於(yu)次(ci)優(you)環(huan)境(jing)中(zhong)，在(zai)此(ci)環(huan)境(jing)中(zhong)，天(tian)線(xian)的(de)有(you)效(xiao)阻(zu)抗(kang)和(he)共(gong)振(zhen)頻(pin)率(lv)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)並(bing)導(dao)致(zhi)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。

 

當dang天tian線xian的de共gong振zhen頻pin率lv發fa生sheng偏pian移yi時shi，其qi呈cheng現xian給gei無wu線xian電dian前qian端duan剩sheng餘yu部bu分fen的de阻zu抗kang也ye會hui偏pian離li初chu始shi值zhi，造zao成cheng阻zu抗kang失shi配pei。阻zu抗kang失shi配pei會hui產chan生sheng三san種zhong效xiao應ying。更geng多duo的de能neng量liang從cong天tian線xian端duan子zi反fan射she回hui來lai，而er不bu是shi通tong過guo這zhe些xie端duan子zi；由於負載牽引的原因，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於容性負載而降低。

 

過(guo)去(qu)幾(ji)十(shi)年(nian)裏(li)，天(tian)線(xian)麵(mian)臨(lin)的(de)這(zhe)一(yi)處(chu)境(jing)導(dao)致(zhi)射(she)頻(pin)鏈(lian)路(lu)預(yu)算(suan)不(bu)斷(duan)下(xia)降(jiang)
，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)了(le)產(chan)品(pin)的(de)性(xing)能(neng)。由(you)於(yu)網(wang)絡(luo)和(he)係(xi)統(tong)級(ji)性(xing)能(neng)的(de)提(ti)升(sheng)，這(zhe)一(yi)性(xing)能(neng)降(jiang)級(ji)沒(mei)有(you)引(yin)起(qi)用(yong)戶(hu)的(de)注(zhu)意(yi)。更(geng)多(duo)的(de)蜂(feng)窩(wo)基(ji)站(zhan)
、fengwojizhantianxianboshuxingchengdeshiyongyijigaijindewuchaxiaozhengjishu
，zaihendachengdushangduiqijinxinglebuchang。youyuxitongjixuqiuheyonghuxuqiubuduantigao，youqiduiyuxinxingde5G 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
，並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。可通過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。

 

wuxianshebeigongyingshangzaiqizuixinyidaideshebeizhongyijingjiejuelegaiwenti。dongtaitiaoxiekeyibuchangdaozhitianxiangongzhenpinlvfashengpianyidetoubuheshoubuxiaoying。zheshitongguoshiyongbihuantiaoxiezhouqijianshaotianxianyugonglvfangdaqi(PA) 之間的失配以優化功率傳輸來實現的（圖7）。

 

圖7：閉環調諧用於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(zai)閉(bi)環(huan)調(tiao)諧(xie)中(zhong)，將(jiang)會(hui)實(shi)時(shi)檢(jian)測(ce)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)的(de)反(fan)射(she)係(xi)數(shu)變(bian)化(hua)。方(fang)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)定(ding)向(xiang)耦(ou)合(he)器(qi)同(tong)時(shi)監(jian)測(ce)天(tian)線(xian)端(duan)子(zi)上(shang)的(de)正(zheng)向(xiang)功(gong)率(lv)和(he)反(fan)射(she)功(gong)率(lv)的(de)幅(fu)度(du)和(he)相(xiang)位(wei)（參見“微型定向耦合器可滿足緊湊型射頻應用的需求”）。然(ran)後(hou)，係(xi)統(tong)將(jiang)合(he)成(cheng)一(yi)個(ge)用(yong)於(yu)調(tiao)整(zheng)位(wei)於(yu)天(tian)線(xian)饋(kui)電(dian)點(dian)的(de)匹(pi)配(pei)網(wang)絡(luo)的(de)複(fu)數(shu)共(gong)軛(e)，以(yi)增(zeng)強(qiang)前(qian)端(duan)與(yu)天(tian)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)。這(zhe)可(ke)以(yi)將(jiang)損(sun)耗(hao)減(jian)少(shao)多(duo)達(da)1 到3 dB。

 

zhezhongbihuantiaoxiefangfajinguanhenyouyong，danyecunzaijidianbuzu。celiangfanshexishudefuduhexiangwei，ranhouquedinggongepipei
，zhexuyaodaliangdejisuanzhouqiheshijian，huozhexuyaoshiyongzhaxunbiao。zhaxunbiaodesudujiaokuai，danjingdujiaodi。weishishifuzadepipei，xuyaocaiyongfuzadepipeidianlu。shiyongcifangfashixiandexingnengtishengtongchangwei1 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），將其諧振恢複到最大功率傳輸點，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zhe種zhong情qing況kuang下xia
，與yu閉bi環huan調tiao諧xie一yi樣yang，將jiang在zai天tian線xian的de饋kui電dian端duan子zi處chu測ce量liang反fan射she係xi數shu。接jie著zhe，使shi用yong其qi中zhong的de一yi種zhong方fang法fa執zhi行xing此ci測ce量liang
，確que定ding最zui佳jia的de新xin調tiao諧xie狀zhuang態tai。其qi中zhong三san種zhong方fang法fa為wei標biao量liang方fang法fa，隻zhi需xu使shi用yong簡jian單dan的de定ding向xiang耦ou合he器qi監jian測ce天tian線xian端duan子zi處chu的de反fan射she功gong率lv幅fu度du
，然ran後hou應ying用yong不bu同tong的de計ji算suan方fang法fa（被稱為平方擬合、閾值調整或凹點檢測）。

 

第四種方法基於矢量
，並使用反射係數的幅度和相位來確定天線結構的S 參數矩陣解
，然後確定恢複天線的共振頻率所需的調諧器設置。通常可減少2 到4 dB 的損耗。與阻抗匹配結合使用，總體改進範圍為3 到7 dB。

 

 

對於標準鞭形設計等外部天線，在設計周期的早期隻有極少甚至不進行任何性能建模。但對於芯片

、PC 板印製線天線

，甚至對於非常靠近低噪聲放大器或功率放大器的貼片天線而言
，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
、重複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 或基於雲的計算平台，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。

 

 

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複雜電磁傳感器。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）chanpin，xuyaozaixifenxizhenggexitonghefengzhuang，yanzhengtianxiandelixianghuaxingnengweishoudaoguodadeyingxiang，bingqienenggoudachengshejimubiao。liyongchangjiesuanqiruanjiankeyizuodaozheyidian，zheleiruanjiannenggouweishijianzhuangzhongdediancichanghetianxianxingnengdexiangxijianmojixiangguanjisuantigongyoulidezhichi。