多頻段天線創新無止境——「好心沒好報」?

作者 : Bill Schweber, EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

隨著RF鏈路擴展並支援更多頻段,天線的研發也不斷進展。但這就像是另一種形式的「好心沒好報」:為了解決問題而開發解決方案,其回報卻是需求隨之增加,甚至還得再開發更多解決方案...

每一種無線的鏈路或功能都存在天線支援,而在單台裝置上或甚至內建於產品中的不同天線及其多樣性,讓射頻(RF)工程師就算想試著為其保持電氣隔離也相當困難。

只要看看波音(Boeing) 787夢幻客機(Dreamliner)上的各種天線,您馬上就會發現挑戰在哪裡(圖1)。

Boeing 787 Dreamliner

圖1:波音787夢幻客機上的天線「場」(farm)不僅顯示飛機上有著各種天線,也展現其應用的多樣性。(來源:Boeing)

這些天線中有些僅用於接收,例如用於GPS的天線;但其中還有很大一部份用於雙工鏈路。這意味著同頻道和同位置的干擾問題相當重要,而天線選址和頻道濾波也極其關鍵。如果您懷疑究竟得為此問題付出多少努力,只需快速瀏覽各種有關微波的雜誌或網站頁面並看看廣告就知道了。在這些天線中,大約有1/3用於RF帶通濾波器(另1/3用於連接器和電纜組件),顯示這些功能在建置實體設計中的重要性。

不只是飛機搭載多樣化的天線。以當今車輛配備如此先進來看,即使是基本車款中也幾乎充斥著各式天線,廣泛地用於GPS、連網、Wi-Fi、雷達、緊急呼叫以及甚至是AM/FM無線電廣播等功能。

如圖2所示,許多車子的天線解決方案採用像是「鯊魚鰭」般的多頻段天線和外殼,有些車子在車窗玻璃中還嵌入了輔助天線。隨著車輛對車輛(V2V)和車輛對外界資訊交換(V2X)鏈路廣泛被採用,汽車設計的挑戰變得更加嚴峻。

shark-fin antenna

圖2:這種用於車輛的「鯊魚鰭」天線(單位:mm)包括4G主天線、4G分集天線、導航天線和FM天線;主天線和分集天線都是全向輻射天線,而且是完全整合至電路板(PCB)的平面印刷天線。(來源:‘An Integrated Shark-Fin Antenna for MIMO-LTE, FM, and GPS Applications’)

當然,只需單個支援多頻段的天線就能部份解決「天線場」的問題。這並不是什麼新鮮事兒,打從無線技術最早問世以來就已經開始這樣設計了。例如,採用諧振「陷波器」(traps)讓單根天線跨廣泛隔離的不同頻段範圍作業。但是,新的干擾源在頻譜上彼此更接近了,採用這種陷波器的作法並不夠。

那該怎麼辦?這可沒有一種簡單的標準答案¬¬——在複雜的工程環境中,從來都不簡單。你必須小心謹慎地進行電磁(EM)建模,為這些天線及其無線電評估設置選項和權衡,包括考慮各種可能的干擾源對於RF前端的影響。

為了從多方面處理多天線及其多頻段操作,還必須執行大量任務。相較於離散元件的設計,微帶PCB天線能以較全面的元件實現建模並建構天線。陶瓷基板天線也提供了新的選擇,並採用MEMS開關和被動元件實現外接式天線調諧。Fractus Antennas S.L和Antenova Ltd等公司均開發了創新的微型多頻段天線。

然而,從附近來源到同位接收機的干擾等基本問題仍然存在,特別是在全雙工情況更具挑戰性。值得慶幸的是在這方面也已取得了進展。例如,一家名為Kumu Networks的公司聲稱開發出一種可行的先進技術,能夠抑制發射機對同位接收機造成的干擾,即使二者之間完全沒有任何保護頻段。

簡而言之,該公司顯然已經設計出一種動態執行主動RF消除方法,類似於音訊系統的降噪功能(請參閱《為共享同頻段的同位TDD無線電消除自干擾》(self-Interference Cancellation for Co-Located TDD Radios Sharing the Same Band),但這在動態RF機制中會更難實現。

儘管天線通常不如發送端和接收端的主動式RF裝置那樣受關注,但它們與其他任何元件一樣重要。隨著RF鏈路變得越來越普遍且支援多頻段,天線的研發也在不斷地進展中。但這就好像是「好心沒好報」(no good deed goes unpunished)現象的另一種體現:為了解決問題而開發了更多的解決方案,對於系統的需求卻隨之增加,甚至還得再開發更多解決方案。技術創新/需求之間的循環永無止境。

您是否曾經必須處理極具挑戰性的多頻段或共址RF設計?您如何解決問題?或者是您尚未解決問題?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Some progress in the ongoing multiband antenna proliferation battle,by Bill Schweber)

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