天线的发展及其对电子系统的影响是什么？

　　随着多种无线技术标准在便携无线设备中走向融合，客观上要求在便携式无线设备中集成更多的天线，因此，对于电子系统设计工程师和技术管理人员来说，掌握天线技术发展的趋势，了解它对电子设计、制造和测试的潜在影响有着重要的现实意义。
　　随着多种无线技术标准在便携无线设备中获得应用，客观上要求便携式无线设备以有成本效益的方式支持多个频段以及多种不同的调制方式。业内专家认为，目前多种无线标准在便携式无线设备中的聚合将遵循入门级、中档和高档三种技术方案（图1），采用CMOS数字无线电技术和可配置无线电技术是将来最终的解决方案。
　　
　　图1 多种无线标准在便携式无线设备中的聚合方案
　　iSuppli的专家认为，提高RF部分的集成度将成为发展的关键。天线作为无线系统设计的一个关键组成部分，它的最新发展趋势无疑对电子系统设计将产生深刻的影响，本文试图说明，一些新兴的技术趋势有可能颠覆传统的天线设计方式、方法和流程。
　　新型屏蔽材料—颠覆传统的天线设计流程
　　莱尔德科技公司（Laird Technology）是无线天线、电磁（EMI）屏蔽材料、汽车天线和热管理解决方案等领域的设计公司和制造商。该公司的专家认为，在把天线设计到系统之中的过程中，最为重要的问题之一是解决对电磁干扰（EMI）的屏蔽问题，如图2所示红色部分的设计均与电磁干扰的屏蔽有关。
　　
　　图2 随着天线的增加，EMI屏蔽问题的重要性与日俱增
　　以手机为例，这包括三个主要的方面：
　　莱尔德科技公司针对上述三个方面的问题提出了独特的解决思路，即在天线设计的过程中综合考虑EMI屏蔽和热管理问题。例如，最近该公司推出的散热型电路板屏蔽产品T-BLS系列产品就结合电磁干扰防护和热管理技术。该全球产品总监 Steve Ulm就表示，随着各种应用系统使用了更多的功率元件以及封装密度的不断提高，先进的冷却技术变得更加重要，为此，需要用独特的方法把热界面材料和屏蔽产品结合起来，满足电路板对屏蔽和热管理的要求。据称，T-BLS系列产品使用了莱尔德科技的T-flex 600系列导热填隙材料。
　　除了把热界面材料和屏蔽产品结合起来之外，近来国际上出现了利用有机屏蔽材料（OSM）来抑制电磁波干扰的发展趋势。这种采用富勒烯形式的纯有机材料在特殊变性处理后形成导电的塑料，在特殊的电磁波屏蔽方面—尤其在高频、微波频段—具有吸收和屏蔽作用，因此，正在保形天线设计中获得日益广泛的应用。
　　在材料的研究和应用方面，一些发达国家，特别是美国、英国、日本，进行了大量的有关电磁屏蔽材料的理论和应用的研究，已经形成了生产各种类别和系列规格的电磁屏蔽材料产业。目前，已有单层Ag及Ag包覆层的涂料、Ni涂料、Cu涂料，Ni-P合金镀层及Al溅射层，泡沫金属，各种衬垫、导电胶、屏蔽窗以及各种金属纤维（或粉末）或碳黑和磁性铁氧体粉填充塑料等系列电磁屏蔽材料产品。其中，以涂料为主导产品，其屏蔽效能达到40dB以上。
　　目前，国外的发展趋势是开发多组元整体或多层复合屏蔽材料。随着便携无线设备的普及应用，基于新型电磁屏蔽材料所开发的一系列板材及产品的市场有望高速成长。
　　人工磁导体（AMC）—孕育天线设计技术革命
　　在软件无线电技术中要采用直接变频技术，它的三个关键技术是天线、基带处理和RF下行变换技术。在直接变频方案中，接收和发射机彼此之间非常敏感，因此，对隔离度要求很高。
　　为此，美国的若干企业研究了一种基于磁场隔离和RF MEMS的天线可重配置技术，其核心技术是一种采用MEMS技术制造的人工磁导体AMC（artifical magnetic conductor），其特点在于磁场在导体的边界为零，因而，很容易将线天线直接做在AMC表面的顶层，从而在获得高效辐射的同时使天线和电路板、手机和用户头部及手臂之间的隔离度非常高。
　　此外，高隔离度的最重大意义在于：在用AMC制成的接地板上能将两付线天线背靠背安装在非常小的空间内，彼此之间几乎不存在干扰，从而有可能将收发天线单独制作并放在一个器件之内并消除收发天线之间的相互干扰，收发天线的匹配也更为容易。此外，开关到前端之间的多工器、滤波器等也因实现了收发天线的相互独立工作而可以省略。 结合相应的自动调谐电路，可配置天线技术可以实现很宽的工作频率。
　　例如，Thomson硅器件公司就展示了这么一种直接嵌入到PCB夹层中的天线，电子线路部分则做在同一块电路板上。据其技术人员表示，其中，就集成了两副不同频率的天线。由此可见，天线设计领域已经悄然发生的变化。
　　除此之外，传统的天线设计过程中，设计工程师必须等待电子系统内部的其它元件位置固定下来，才能开展天线设计。据报道，基于AMC技术的天线具有控制RF信号传播路径的独特能力，因而，允许电子系统设计人员根据产品的大小、外形和内部元件进行定制天线设计。正如e-tenna公司的专家所表示，这是天线设计中的真正突破所在。
　　AMC技术近两年来受到越来越多的关注，国外企业已经在相关设计、制造和测试技术上展开了专利布局。另外，从半导体厂家提供的MIMO（多输入多输出）收发器来看，RF前端的电路部分正在走向成熟，因此，将为嵌入式可重配置天线技术的应用提供广阔的发展空间，基于人工磁导体（AMC）的天线设计有望成为重要的设计趋势，并将对整个电子设计、制造和测试行业产生重要的影响。
　　多天线集成能力—天线设计领域的颠覆性变化
　　如图3所示是未来两年多种无线技术标准在手机上聚合的概念图，从图中可见聚合的发展方向很多，这种多样化应用的需求对多天线集成设计提出了要求。
　　
　　图3 未来便携无线设备将是多种技术融合的平台
　　在此，值得关注的是Ethertronics公司的独特的隔离磁偶极子天线 （Isolated Magnetic Dipole， IMD）。据该公司市场营销副总裁Rick Segil介绍，利用其创新的IMD技术，系统制造商能够把越来越多的功能集成到它们的设备之中，并持续缩小整个手机和其它便携无线设备的外形尺寸。
　　采用IMD技术设计的天线的主要特色在于：
　　*限制天线单元上的电流；
　　*优化天线的隔离以提供更多的天线集成能力；
　　*以更紧凑的形状因子实现最小化SAR（辐射吸收率）；
　　*容许RF工程师独立地调节天线和天线的馈线；
　　据该公司介绍，利用IMD技术可以把蜂窝电话、移动电视接收机、GPS、蓝牙、WiFi和WiMAX的多种天线都可以集成在一起，从而为便携无线设备提供更为强大的功能，这毫无疑问是便携无线设备天线设计领域最具有颠覆性意义的趋势。
　　
　　图4 IMD天线与传统的PiFA的比较
　　Rick Segil表示，今后天线设计的发展趋势是“5个频段（850/900/1800/1900/2100）的集成构成主蜂窝电话天线，并结合多个二级天线，包括GPS和蓝牙天线等等。”他强调说， Ethertronics公司的IMD技术与其它技术的差异在于：具有更好的选择性和较高的隔离性能，能够降低整体的耦合效应。
　　结语
　　随着多种天线在便携无线设备上的聚合可见，传统的“各自为政”式的天线设计方法将难以适应发展的需要。在多天线便携无线设备的设计中，天线设计、电磁屏蔽和热管理的协同设计将对过去的设计方法和流程产生冲击，值得设计行业关注。随着新材料和天线设计新技术的发展，多天线集成能力将为电子系统制造商进行设计创新提供更多的选择。
　　需要注意的是：随着多天线集成技术的发展，天线设计将比以往任何时候都要复杂，需要从事信号处理与天线设计的企业开展合作，才能发挥多天线集成所带来的好处，例如，TI与ArrayComm携手开发无线局端应用的智能天线技术，标志着多种天线聚合起来之后，最为关键的是信号处理，它对于提高网络覆盖的质量有着举足轻重的作用，与此同时，也将对整个设计链产生深远的影响和变革。