中心議題:
- 介紹天線新型屏蔽材料、人工磁導(dǎo)體
- 概述多天線集成能力并得出結(jié)論
解決方案:
- 采用CMOS數(shù)字無線電技術(shù)和可配置無線電技術(shù)是將來最終的解決方案
- 在天線設(shè)計的過程中綜合考慮EMI屏蔽和熱管理問題
- 利用IMD技術(shù)把蜂窩電話、移動電視接收機(jī)、GPS、藍(lán)牙、WiFi和WiMAX的多種天線集成在一起
隨著多種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在便攜無線設(shè)備中走向融合,客觀上要求在便攜式無線設(shè)備中集成更多的天線,因此,對于電子系統(tǒng)設(shè)計工程師和技術(shù)管理人員來說,掌握天線技術(shù)發(fā)展的趨勢,了解它對電子設(shè)計、制造和測試的潛在影響有著重要的現(xiàn)實意義。
隨著多種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在便攜無線設(shè)備中獲得應(yīng)用,客觀上要求便攜式無線設(shè)備以有成本效益的方式支持多個頻段以及多種不同的調(diào)制方式。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為[1],目前多種無線標(biāo)準(zhǔn)在便攜式無線設(shè)備中的聚合將遵循入門級、中檔和高檔三種技術(shù)方案(圖1),采用CMOS數(shù)字無線電技術(shù)和可配置無線電技術(shù)是將來最終的解決方案。
圖1 多種無線標(biāo)準(zhǔn)在便攜式無線設(shè)備中的聚合方案
圖片來源:ST公司
iSuppli的專家認(rèn)為,提高RF部分的集成度將成為發(fā)展的關(guān)鍵。天線作為無線系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵組成部分,它的最新發(fā)展趨勢無疑對電子系統(tǒng)設(shè)計將產(chǎn)生深刻的影響,本文試圖說明,一些新興的技術(shù)趨勢有可能顛覆傳統(tǒng)的天線設(shè)計方式、方法和流程。
新型屏蔽材料—顛覆傳統(tǒng)的天線設(shè)計流程
萊爾德科技公司(Laird Technology)是無線天線、電磁(EMI)屏蔽材料、汽車天線和熱管理解決方案等領(lǐng)域的設(shè)計公司和制造商。該公司的專家認(rèn)為,在把天線設(shè)計到系統(tǒng)之中的過程中,最為重要的問題之一是解決對電磁干擾(EMI)的屏蔽問題,如圖2所示紅色部分的設(shè)計均與電磁干擾的屏蔽有關(guān)。
圖2 隨著天線的增加,EMI屏蔽問題的重要性與日俱增
圖片來源:LairdTech公司
以手機(jī)為例,這包括三個主要的方面:
萊爾德科技公司針對上述三個方面的問題提出了獨特的解決思路,即在天線設(shè)計的過程中綜合考慮EMI屏蔽和熱管理問題。例如,最近該公司推出的散熱型電路板屏蔽產(chǎn)品T-BLS系列產(chǎn)品就結(jié)合電磁干擾防護(hù)和熱管理技術(shù)。該全球產(chǎn)品總監(jiān) Steve Ulm就表示,隨著各種應(yīng)用系統(tǒng)使用了更多的功率元件以及封裝密度的不斷提高,先進(jìn)的冷卻技術(shù)變得更加重要,為此,需要用獨特的方法把熱界面材料和屏蔽產(chǎn)品結(jié)合起來,滿足電路板對屏蔽和熱管理的要求。據(jù)稱,T-BLS系列產(chǎn)品使用了萊爾德科技的T-flex 600系列導(dǎo)熱填隙材料。
除了把熱界面材料和屏蔽產(chǎn)品結(jié)合起來之外,近來國際上出現(xiàn)了利用有機(jī)屏蔽材料(OSM)來抑制電磁波干擾的發(fā)展趨勢。這種采用富勒烯形式的純有機(jī)材料在特殊變性處理后形成導(dǎo)電的塑料,在特殊的電磁波屏蔽方面—尤其在高頻、微波頻段—具有吸收和屏蔽作用,因此,正在保形天線設(shè)計中獲得日益廣泛的應(yīng)用。
在材料的研究和應(yīng)用方面,一些發(fā)達(dá)國家,特別是美國、英國、日本,進(jìn)行了大量的有關(guān)電磁屏蔽材料的理論和應(yīng)用的研究,已經(jīng)形成了生產(chǎn)各種類別和系列規(guī)格的電磁屏蔽材料產(chǎn)業(yè)。目前,已有單層Ag及Ag包覆層的涂料、Ni涂料、Cu涂料,Ni-P合金鍍層及Al濺射層,泡沫金屬,各種襯墊、導(dǎo)電膠、屏蔽窗以及各種金屬纖維(或粉末)或碳黑和磁性鐵氧體粉填充塑料等系列電磁屏蔽材料產(chǎn)品。其中,以涂料為主導(dǎo)產(chǎn)品,其屏蔽效能達(dá)到40dB以上。
目前,國外的發(fā)展趨勢是開發(fā)多組元整體或多層復(fù)合屏蔽材料。隨著便攜無線設(shè)備的普及應(yīng)用,基于新型電磁屏蔽材料所開發(fā)的一系列板材及產(chǎn)品的市場有望高速成長。
人工磁導(dǎo)體(AMC)—孕育天線設(shè)計技術(shù)革命
在軟件無線電技術(shù)中要采用直接變頻技術(shù),它的三個關(guān)鍵技術(shù)是天線、基帶處理和RF下行變換技術(shù)。在直接變頻方案中,接收和發(fā)射機(jī)彼此之間非常敏感,因此,對隔離度要求很高。
為此,美國的若干企業(yè)研究了一種基于磁場隔離和RF MEMS的天線可重配置技術(shù),其核心技術(shù)是一種采用MEMS技術(shù)制造的人工磁導(dǎo)體AMC(artifical magnetic conductor),其特點在于磁場在導(dǎo)體的邊界為零,因而,很容易將線天線直接做在AMC表面的頂層,從而在獲得高效輻射的同時使天線和電路板、手機(jī)和用戶頭部及手臂之間的隔離度非常高。
此外,高隔離度的最重大意義在于:在用AMC制成的接地板上能將兩付線天線背靠背安裝在非常小的空間內(nèi),彼此之間幾乎不存在干擾,從而有可能將收發(fā)天線單獨制作并放在一個器件之內(nèi)并消除收發(fā)天線之間的相互干擾,收發(fā)天線的匹配也更為容易。此外,開關(guān)到前端之間的多工器、濾波器等也因?qū)崿F(xiàn)了收發(fā)天線的相互獨立工作而可以省略。 結(jié)合相應(yīng)的自動調(diào)諧電路,可配置天線技術(shù)可以實現(xiàn)很寬的工作頻率。
例如,Thomson硅器件公司就展示了這么一種直接嵌入到PCB夾層中的天線,電子線路部分則做在同一塊電路板上。據(jù)其技術(shù)人員表示,其中,就集成了兩副不同頻率的天線。由此可見,天線設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)悄然發(fā)生的變化。
除此之外,傳統(tǒng)的天線設(shè)計過程中,設(shè)計工程師必須等待電子系統(tǒng)內(nèi)部的其它元件位置固定下來,才能開展天線設(shè)計。據(jù)報道,基于AMC技術(shù)的天線具有控制RF信號傳播路徑的獨特能力,因而,允許電子系統(tǒng)設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品的大小、外形和內(nèi)部元件進(jìn)行定制天線設(shè)計。正如e-tenna公司的專家所表示,這是天線設(shè)計中的真正突破所在。
AMC技術(shù)近兩年來受到越來越多的關(guān)注,國外企業(yè)已經(jīng)在相關(guān)設(shè)計、制造和測試技術(shù)上展開了專利布局。另外,從半導(dǎo)體廠家提供的MIMO(多輸入多輸出)收發(fā)器來看,RF前端的電路部分正在走向成熟,因此,將為嵌入式可重配置天線技術(shù)的應(yīng)用提供廣闊的發(fā)展空間,基于人工磁導(dǎo)體(AMC)的天線設(shè)計有望成為重要的設(shè)計趨勢,并將對整個電子設(shè)計、制造和測試行業(yè)產(chǎn)生重要的影響。
多天線集成能力—天線設(shè)計領(lǐng)域的顛覆性變化
如圖3所示是未來兩年多種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在手機(jī)上聚合的概念圖,從圖中可見聚合的發(fā)展方向很多,這種多樣化應(yīng)用的需求對多天線集成設(shè)計提出了要求。
圖3 未來便攜無線設(shè)備將是多種技術(shù)融合的平臺
在此,值得關(guān)注的是Ethertronics公司的獨特的隔離磁偶極子天線(Isolated Magnetic Dipole, IMD)。據(jù)該公司市場營銷副總裁Rick Segil介紹,利用其創(chuàng)新的IMD技術(shù),系統(tǒng)制造商能夠把越來越多的功能集成到它們的設(shè)備之中,并持續(xù)縮小整個手機(jī)和其它便攜無線設(shè)備的外形尺寸。
采用IMD技術(shù)設(shè)計的天線的主要特色在于:
*限制天線單元上的電流;
*優(yōu)化天線的隔離以提供更多的天線集成能力;
*以更緊湊的形狀因子實現(xiàn)最小化SAR(輻射吸收率);
*容許RF工程師獨立地調(diào)節(jié)天線和天線的饋線;
據(jù)該公司介紹,利用IMD技術(shù)可以把蜂窩電話、移動電視接收機(jī)、GPS、藍(lán)牙、WiFi和WiMAX的多種天線都可以集成在一起,從而為便攜無線設(shè)備提供更為強(qiáng)大的功能,這毫無疑問是便攜無線設(shè)備天線設(shè)計領(lǐng)域最具有顛覆性意義的趨勢。
圖4 IMD天線與傳統(tǒng)的PiFA的比較
Rick Segil表示,今后天線設(shè)計的發(fā)展趨勢是“5個頻段(850/900/1800/1900/2100)的集成構(gòu)成主蜂窩電話天線,并結(jié)合多個二級天線,包括GPS和藍(lán)牙天線等等。”他強(qiáng)調(diào)說, Ethertronics公司的IMD技術(shù)與其它技術(shù)的差異在于:具有更好的選擇性和較高的隔離性能,能夠降低整體的耦合效應(yīng)。
結(jié)語
隨著多種天線在便攜無線設(shè)備上的聚合可見,傳統(tǒng)的“各自為政”式的天線設(shè)計方法將難以適應(yīng)發(fā)展的需要。在多天線便攜無線設(shè)備的設(shè)計中,天線設(shè)計、電磁屏蔽和熱管理的協(xié)同設(shè)計將對過去的設(shè)計方法和流程產(chǎn)生沖擊,值得設(shè)計行業(yè)關(guān)注。隨著新材料和天線設(shè)計新技術(shù)的發(fā)展,多天線集成能力將為電子系統(tǒng)制造商進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新提供更多的選擇。
需要注意的是:隨著多天線集成技術(shù)的發(fā)展,天線設(shè)計將比以往任何時候都要復(fù)雜,需要從事信號處理與天線設(shè)計的企業(yè)開展合作,才能發(fā)揮多天線集成所帶來的好處,例如,TI與ArrayComm攜手開發(fā)無線局端應(yīng)用的智能天線技術(shù),標(biāo)志著多種天線聚合起來之后,最為關(guān)鍵的是信號處理,它對于提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的質(zhì)量有著舉足輕重的作用,與此同時,也將對整個設(shè)計鏈產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和變革。