RF高手大玩天線設計捉迷藏

作者 : Don Scansen,EE Times專欄作者

每一種無線技術新標準都能為使用者帶來更好的頻寬與性能,但是光只有Wi-Fi技術本身,還是無法在現實世界呈現理論最佳效果,良好的天線設計不可或缺。

很多跟我一樣屬於某個世代的人(特別是工程師),通常會認為先進技術都會跟太空有某種程度的連結,像是多元相位陣列天線(multi-element phased array antennas)這種東西;而最近筆者有幸與一位專長該技術的工程師聊到相關話題以及天線設計技術上的挑戰,讓我收穫良多。

這位既擁有專精技術又腳踏實地的工程師是一家名為Antenna Company的公司執行長David Favreau,他與他的團隊具備最近非常搶手的天線設計專長,特別是在介質共振天線(dielectric resonator antenna,DRA)技術上。介質共振器是作為一種無線電波能量透鏡(lens),能有助於聚集RF設計工程師所需要的能量,以實現更小巧的天線設計──因為能使用更少導電元件來達成同樣效果的天線增益。

利用巧妙的工程,Antenna Company所設計之天線就像是捉迷藏高手,即使是最精明的拆解專家也會找不到──該公司團隊最引以自豪的技術就是能將天線的佔位面積最小化,隱藏在系統機構設計中,例如筆記型電腦的轉軸。雖然DRA技術本身就具備這種可以「玩躲貓貓」的靈活性,這家公司自有的建模工具也是團隊能實現創新天線設計的關鍵。

聽起來是很深奧的技術,確實也很少有人能充分理解其內涵,畢竟天線設計通常都是RF工程師說了算。誕生在2013年的Antenna Company是由兩位天線專家所創立的公司,其中一位創辦人Johan Gielis開發了一種來自「Gielis超級方程式(Superformula)」的設計模型,能實現更小巧的介質共振天線建模。

指向性戶外Wi-Fi天線

採用DRA技術的指向性戶外Wi-Fi天線。(圖片來源:Antenna Company)

數量與種類越來越多的無線裝置帶來了對更小巧、更有效率天線之需求,而對RF設計工程師來說,最大的挑戰通常是得在有限的系統空間內,整合運作於相鄰頻段的眾多RF子系統,同時又要維持同頻/跨頻隔離。不過隔離只是挑戰之一,因為使用者還會期望每一個無線系統都提供足夠的訊號強度、穩固的連線以及高資料傳輸量,且不被其他無線電/子系統干擾。

Antenna Company不是DRA技術的發明人,卻是第一家將該技術商業化的公司,其首款產品是為Aruba Networks所設計打造的點對點戶外Wi-Fi天線。DRA是一個值得關注的技術領域,特別是整合多個鄰近無線系統使得天線設計複雜性提升,也提高了設計風險。

包括企業用網路、消費性寬頻設備以及物聯網(IoT)裝置等的外觀尺寸限制越來越多,但MIMO天線陣列尺寸反而越來越大,加上多無線系統共存,要因應這些產品的設計挑戰,介質共振天線的透鏡現象能發揮優勢。

但DRA技術預期不會應用在手機;根據Favreau說法,主因是該類天線產量有限,此外手機的厚度也是其侷限。不過他表示,IoT裝置的RF模組正從陶瓷晶片天線轉向採用DRA,因為在IoT平台中有越來越多RF連結共存。此外網狀網路裝置也會是DRA的關鍵應用,同樣是因為有更多無線系統擠在一起。

與DRA技術一樣令人印象深刻的是Antenna Company最新開發的Wi-Fi 6E +UWB產品,以全向性輻射場(omni-directional radiation patterns)天線陣列取代介質波束聚焦天線陣列,以大幅節省空間。這種結合了一系列天線的方案能為企業應用系統實現三頻室內天線;如下圖所示,個別放置的天線元件能支援不同的無線電頻段。

 

Wi-Fi 6E天線系統架構圖。

(圖片來源:Antenna Company)

 

該新款Wi-Fi 6E天線陣列是為接取點裝置所打造,內含15支天線;Antenna Company表示,Wi-Fi天線對之間的隔離性能要優於45dB (該公司產品的Wi-Fi與UWB天線隔離性能為30dB),才能在5GHz頻段支援良好的並行運作。天線陣列還支援UWB選項,以實現存取控制、室內導航、資產追蹤與接觸者追蹤(Covid-19抗疫應用)等即時定位系統(RTLS)服務。

 

Wi-Fi 6E是運作於6GHz頻段的新一代Wi-Fi規格。

(圖片來源:Wi-Fi Alliance)

 

按照Favreau的說法,「Wi-Fi 6E能實現傳輸量、速度與延遲性能的提升,支援企業與工業務聯網市場的連網需求,而對UWB的支援則能讓使用者擴充平台提供RTLS新服務。」每一種無線技術新標準都能為使用者帶來更好的頻寬與性能,但是光只有Wi-Fi技術本身,還是無法在現實世界呈現理論最佳效果,良好的天線設計不可或缺。

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Playing Hide-the-Antenna with The Antenna Company,By Don Scansen )

 

 

 

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