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揭開嵌入式天線的神秘面紗——實現小尺寸、高效率設計

上網時間: 2008年06月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:嵌入式天線  行動語音  資料傳輸 

嵌入式系統設計在最近倍受關注,但對許多設計者來說,嵌入式天線仍保持著一股神秘感。為了揭開嵌入式天線的神秘面紗,本文將近距離分析設計師在選擇和設計下一代嵌入式天線時的主要考量,而這裡提到的天線設計,主要針對於行動語音、視訊與資料傳輸應用。

多頻功能

對於可攜式和嵌入式系統設計者來說,從單頻/窄頻到多頻/寬頻的演變非常迅速,在此期間,天線設計師提出了在蜂巢式頻段(850MHz∼2GHz)中對於五頻(penta-band)覆蓋的需求。

Complicating the drive to multiband systems is the desire for components to be the smallest size possible--and the antenna is no exception.

由於這一類多頻系統要求所用的元件必須儘可能最小化,使得多頻系統的實現變得更加複雜化──天線也不例外。

“設備的尺寸不斷地縮小,而且終端用戶喜歡使用表面平滑、無天線突出在外的設備。”美國天線供應商SkyCross公司常務董事暨營運副總裁Paul Tornatta表示。

過去,設計工作似乎專注於朝向逐漸升高的單頻段頻率;反之,如今在推動高頻系統的同時,設計人員對低頻系統也產生了越來越濃厚的興趣。

“由於實體尺寸的限制,這些低頻需求較主天線的設計和整合更具挑戰性。”Ethertronics公司先進技術副總裁Jeff Shamblin指出,“由於天線在低頻段時使用電力極小,因此效率下降更為快速。”

那麼,處理這些低頻段訊號的最佳方式是什麼?“有幾個解決方案正在進行中。”據Shamblin透露,Ethertronics公司正開發新的被動和主動天線配置,同時該公司也正著手研發符合具有特定效率的小型內建天線所需的新材料。

主要性能參數

針對用於行動資訊和視訊的嵌入式天線來說,重要的性能參數包括功耗、效率、回流損耗和隔離度。

首先提到效率。當對天線元件供電時,效率可作為衡量有多少電能被轉換成電磁能的依據。在實際應用中,由於阻抗和電介質的存在,自然會有一些功率損失。高效率意味著更好的訊號接收,因而減少斷線連接次數,並增強系統功能,以支援更快的資料傳輸速率。

根據具體應用,可以犧牲一部份效率來改善其他性能。

“由於行動視訊是一種純接收的服務,為了較小尺寸經常必須犧牲效率。”Tornatta表示,“而無線資訊同時需要傳送和接收,因此對於訊號強度和電池壽命來說,效率可說是極為關鍵的參數。”

Shamblin也認為效率很重要,同時他還總結了天線設計師所面臨的一些性能折衷。“滿足小型內建媒體天線的效率、頻寬以及功耗(影響電池壽命)需求,是設計的主要考量。”

回流損耗則是反射功率(或返回功率)與發射功率的比值。

Tornatta指出,SkyCross公司設計天線的回流損耗均在-10dB以下(包括-10dB),也就是說,無線電產生的電能至少有90%轉換成了電磁波能量,而未被反射回來。

依據Ethertronics公司的資料顯示,Prestta四頻嵌入式行動電話天線據稱在0.5GHz∼2.5GHz之間的回流損耗均小於-10dB。

選擇性與隔離度。對於必須配置多個天線的設計而言,選擇性顯得非常重要。

“目前,我們可以在某些手機和行動裝置上見到6∼7個天線,這些天線必須在狹窄的空間內共存。”Shamblin表示,“因此,除了效率會影響到系統功耗外,我們還必須考量對於天線的選擇,以避免串擾和干擾。”

許多無線資訊協議要求多樣化接收或多入多出(MIMO)架構。在這些情況下,用於衡量到相鄰天線(耦合)輻射量的隔離度就顯得特別重要,因此最好是能有高隔離度和低耦合。

“最重要的儘可能地形成具差異性的輻射線圖形,這樣每一根饋線或天線就可以覆蓋新的空間,以實現圖形多樣化以及獨立訊號。”Tornatta指出,“這也使得設備相對塔位或基地台的‘指向’變得不那麼重要。”

新技術

隨著即將推出的802.11n WLAN規格,以及市場上‘pre-n’產品的推出,天線設計者必須考量MIMO的多天線設計帶來的影響。例如,SkyCross公司已經發佈的iMAT系列產品,透過使用多個饋線點,而使得單天線結構可實現如同多天線結構般的作業。

“每根饋線在存取天線時,就好像它是由多個天線組成的,各個都具有高隔離度、低相關性以及高單位饋線天線效率。”Tornatta指出,“改善後的天線增益和接收器靈敏度,進一步增強了設備性能和網路容量。”

而Ethertronics公司則利用其專有的隔離磁偶極子(IMD)技術來解決這個問題,該技術旨在限制天線上的電流並最佳化隔離度。

“為了確保高品質且穩定的天線套件,必須在設計階段解決手機中多天線間的潛在干擾問題。”Shamblin指出。

Ethertronics公司指出,該專有的IMD天線技術透過控制近場輻射來確保設計能夠滿足不同市場對特定吸收率的要求。

就其本身特性而言,這種方法也能減少與電路板上週邊元件與人體的交互影響,Ethertronics公司表示。

未來的挑戰

那麼,天線設計者在設計下一代產品時主要面臨的挑戰為何?

Shamblin將這些挑戰定義為‘以小體積和高性價比的外形尺寸來滿足頻寬需求,並使出現在頻寬邊緣的性能最小化以實現寬頻應用。’

“體積是開發新天線所面臨的最大挑戰。”Tornatta表示,“對於行動視訊來說,空間挑戰來自於低較頻率以及較寬的頻寬。”

顯而易見的,開發下一代天線的嵌入式系統設計者從先進的天線技術中獲益匪淺。客製化和標準化天線設計目前都已實現,而最終的決策權衡折衷則取決於上市時程、成本和性能。

圖說:Ethertronics公司的DriveCam產品是一款客製的四頻嵌入式天線,可在GSM850、GSM900、DCS和PCS頻段上透過蜂巢式網路傳送視訊資料。
圖說:Ethertronics公司的DriveCam產品是一款客製的四頻嵌入式天線,可在GSM850、GSM900、DCS和PCS頻段上透過蜂巢式網路傳送視訊資料。





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