揭开嵌入式天线的神秘面纱锯石机

揭开嵌入式天线的神秘面纱

揭开嵌入式天线的神秘面纱 2011年12月03日 来源： 最近，嵌入式系统设计倍受关注，但对许多设计师来说，嵌入式天线仍保持着一丝神秘感。为了揭开嵌入式天线的神秘面纱，本文将近距离分析设计师在选择和设计下一代嵌入式天线时所考虑的关键点，而这里提到的天线设计，也将主要瞄准移动语音、视频和/或数据应用。多频功能对便携式和嵌入式系统设计师来说，从单频/窄带到多频/宽带的演变很迅速，在此期间，天线设计师提出了在蜂窝频段(850MHz～2GHz)中进行五频(penta-band)覆盖的要求。市场对尽可能小的元器件尺寸的需求加大了多频系统的复杂度，当然，天线也不例外。"设备尺寸在不断‘缩水’，而且终端用户喜欢那些从外表看不出天线的设备。" 美国天线供应商SkyCross公司常务董事兼运营副总裁Paul Tornatta表示。过去，设计工作似乎常常被集中在频率逐渐升高的单频段；但是现在却相反，在推动高频系统的同时，设计人员对低频系统也产生了越来越浓厚的兴趣。"受到物理尺寸的限制，这些低频要求较主天线的设计和集成更具挑战性。"Ethertronics公司负责先进技术的副总裁Jeff Shamblin指出，"由于天线在低频段的电尺寸较小，因此其效率快速下降。"处理这些低频段信号的最佳方式是什么？据Shamblin透露，Ethertronics公司正在开发新的无源和有源天线配置，同时该公司正着手研发符合具有特定效率小尺寸内置天线需求的新材料。“我们的几个解决方案正在进行之中。”Shamblin称。

图1：Ethertronics公司的DriveCam产品是一款定制的四频嵌入式天线，可在GSM850、GSM900、DCS和PCS频段上通过蜂窝网络发送视频数据

主要性能参数对用于移动数据和视频的嵌入式天线来说，重要的性能参数包括：功耗、效率、反射损耗和隔离度。-效率。当向天线组件供电时，可以利用效率来衡量有多少电能被转换成了电磁能。在实际应用中，由于阻抗和电介质的存在，肯定会有一些功率损失。高效率意味着更好的信号接收，从而减少断线连接次数，增强系统功能以支持更快的数据传输速率。根据具体应用，可以牺牲一部分效率来改善其他性能。"因为移动视频是一种单接收的服务，因此为了体积经常会牺牲效率。"SkyCross公司Tornatta表示，"而无线数据需要同时发送和接收，因此对信号强度和电池寿命来说效率都是极为关键的参数。"Shamblin也认为效率很重要，同时他还总结了天线设计师所面临的一些性能折衷。"满足小型内置介质天线的效率、带宽以及功耗(影响电池寿命)需求，是设计主要考虑的因素。"他表示。-反射损耗是反射或返回功率与发射功率的比值。Tornatta指出，SkyCross公司设计的天线的反射损耗均在-10dB以下(包括-10dB)，也就是说，射频产生的电能至少有90%转换成了电磁波能量，而没有被反射回来。Ethertronics公司也在其数据手册中表示，Prestta四频嵌入式手机天线的反射损耗在0.5GHz～2.5GHz范围内均小于-10dB。-选择性和隔离度。如果某项设计准备配备多个天线，那么选择性就变得非常重要。"目前，我们可以在某些手机和移动设备上见到6～7个天线，这些天线必须在很小的空间内友好共存。"Ethertronics公司的Shamblin表示，"因此，除了会影响到系统功耗的效率外，我们还必须考虑如何对每个天线进行选择，以避免串扰和干扰。"许多无线数据协议要求接收分集或多入多出(MIMO)架构。在这些情况下，用于衡量到相邻天线(耦合)辐射量的隔离度就显得特别重要，高隔离度和低耦合是最好情况。"辐射方向图能够尽可能不同是最为理想的，这样每根馈线或天线就可以覆盖新的空间，从而达到方向图多样并且信号独立。"SkyCross公司的Tornatta指出，"这样能使设备相对铁塔或基站的'指向'变得不那么重要。"新技术随着802.11n WLAN规范发布的临近，以及市场上"准-n"产品的推出，天线设计师必须考虑需要多个天线的MIMO设计带来的影响。例如，SkyCross公司已经发布的iMAT产品系列，它们允许单个天线结构通过使用多个馈线点而表现得像多个天线。"每根馈线访问天线时，就好象它是由多个天线组成的，相互间隔度高、相关性低且单馈线天线效率高。"Tornatta指出，"结果是显著改善了天线增益和接收器灵敏度，进一步增强了设备性能和网络容量。"而Ethertronics公司则利用其专有的隔离式磁偶极子(IMD)技术来解决这个问题，该技术旨在限制天线上的电流和优化隔离度。"手机中多个天线间的潜在干扰问题必须在设计阶段解决，只有这样才能确保高质量且稳定的天线套件的实现。"Shamblin指出。据Ethertronics公司介绍，这个专有的IMD天线技术通过控制近场辐射来确保设计满足不同市场对特定吸收率的要求。就其本身特性而言，这种方法也能减少与电路板上周边器件及终端用户身体的交互影响，Ethertronics公司表示。未来的挑战那么，天线设计师在设计下一代产品时面临的主要挑战有哪些呢？Shamblin将这些挑战定义为"以小体积和高性价比的外形尺寸满足带宽要求，使出现在频段边缘的性能下降最小化从而实现宽带应用。""体积是开发新天线面临的最大挑战。"Tornatta表示，"对移动视频来说，空间挑战来自于低频率和宽带宽。"很明显，寻求发展下一代天线的嵌入式系统设计师可以从先进的天线技术中获得巨大收益。定制和标准天线设计目前都已实现，而最终的决策权衡可能发生在上市时间、成本和性能方面。作者：罗吉娜Janine Love(editor@writesol.com)

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