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扩展多频段天线挑战进展不停—“好心没好报”?

时间:2020-03-05 作者:Bill Schweber 阅读:
随着RF链路扩展并支持更多频段,天线的研发也不断进展。但这就像是另一种形式的“好心没好报”:为了解决问题而开发解决方案,其回报却是需求随之增加,甚至还得再开发更多解决方案...
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每一种无线的链路或功能都存在天线支持,而在单台设备上或甚至内置于产品中的不同天线及其多样性,让射频(RF)工程师就算想试着为其保持电气隔离也相当困难。

只要看看波音(Boeing) 787梦幻客机(Dreamliner)上的各种天线,您马上就会发现挑战在哪里(图1)。

图1:波音787梦幻客机上的天线“场”(farm)不仅显示飞机上有着各种天线,也展现其应用的多样性。(来源:Boeing)

这些天线中有些仅用于接收,例如用于GPS的天线;但其中还有很大一部份用于双工链路。这意味着同频道和同位置的干扰问题相当重要,而天线选址和频道滤波也极其关键。如果您怀疑究竟得为此问题付出多少努力,只需快速浏览各种有关微波的杂志或网站页面并看看广告就知道了。在这些天线中,大约有1/3用于RF带通滤波器(另1/3用于连接器和电缆组件),显示这些功能在建置实体设计中的重要性。

不只是飞机搭载多样化的天线。以当今车辆配备如此先进来看,即使是基本车款中也几乎充斥着各式天线,广泛地用于GPS、连网、Wi-Fi、雷达、紧急呼叫以及甚至是AM/FM无线电广播等功能。

如图2所示,许多车子的天线解决方案采用像是“鲨鱼鳍”般的多频段天线和外壳,有些车子在车窗玻璃中还嵌入了辅助天线。随着车辆对车辆(V2V)和车辆对外界信息交换(V2X)链路广泛被采用,汽车设计的挑战变得更加严峻。

图2:这种用于车辆的“鲨鱼鳍”天线(单位:mm)包括4G主天线、4G分集天线、导航天线和FM天线;主天线和分集天线都是全向辐射天线,而且是完全整合至电路板(PCB)的平面印刷天线。(来源:‘An Integrated Shark-Fin Antenna for MIMO-LTE, FM, and GPS Applications’)

当然,只需单个支持多频段的天线就能部份解决“天线场”的问题。这并不是什么新鲜事儿,打从无线技术最早问世以来就已经开始这样设计了。例如,采用谐振“陷波器”(traps)让单根天线跨广泛隔离的不同频段范围作业。但是,新的干扰源在频谱上彼此更接近了,采用这种陷波器的作法并不够。

那该怎么办?这可没有一种简单的标准答案¬¬——在复杂的工程环境中,从来都不简单。你必须小心谨慎地进行电磁(EM)建模,为这些天线及其无线电评估设置选项和权衡,包括考虑各种可能的干扰源对于RF前端的影响。

为了从多方面处理多天线及其多频段操作,还必须执行大量任务。相较于离散组件的设计,微带PCB天线能以较全面的组件实现建模并建构天线。陶瓷基板天线也提供了新的选择,并采用MEMS开关和被动组件实现外接式天线调谐。Fractus Antennas S.L和Antenova Ltd等公司均开发了创新的微型多频段天线。

然而,从附近来源到同位接收机的干扰等基本问题仍然存在,特别是在全双工情况更具挑战性。值得庆幸的是在这方面也已取得了进展。例如,一家名为Kumu Networks的公司声称开发出一种可行的先进技术,能够抑制发射机对同位接收机造成的干扰,即使二者之间完全没有任何保护频段。

简而言之,该公司显然已经设计出一种动态执行主动RF消除方法,类似于音频系统的降噪功能(请参阅《为共享同频段的同位TDD无线电消除自干扰》(self-Interference Cancellation for Co-Located TDD Radios Sharing the Same Band),但这在动态RF机制中会更难实现。

尽管天线通常不如发送端和接收端的主动式RF设备那样受关注,但它们与其他任何组件一样重要。随着RF链路变得越来越普遍且支持多频段,天线的研发也在不断地进展中。但这就好像是“好心没好报”(no good deed goes unpunished)现象的另一种体现:为了解决问题而开发了更多的解决方案,对于系统的需求却随之增加,甚至还得再开发更多解决方案。技术创新/需求之间的循环永无止境。

您是否曾经必须处理极具挑战性的多频段或共址RF设计?您如何解决问题?或者是您尚未解决问题?

编译:Susan Hong   责编:Yvonne Geng

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

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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