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【揭秘】为何说电子设计成败至关重要的是建模和仿真?

智能手机和可穿戴电子设备等手持和便携式无线产品依赖可置入设备的微型芯片、贴片和印制线天线。


尽管这些小型器件解决了在小尺寸系统中携带多频带天线阵列的问题,但它们也引入了辐射效率下降、阻抗匹配以及与附近物体和人体的交互等相关问题。


为解决这些问题,设计人员开始采用新的设计和电路方法,让这些天线不只成为一个独立的元器件,而是成为能够化解上述诸多设计挑战的动态天线子系统的一部分。这一设计转变需要进行大量仿真和分析,而不断改进的场解算器软件可以满足这一需求。


芯片、贴片天线提供了折衷之选


从传统的外部鞭形或短截天线过渡至芯片和贴片天线的原因很多,首当其冲的是外部天线存在的美观性和易折性问题。从性能的角度而言,智能手机等设备在给定的频带往往需要多个天线才能提供天线分集,进而改善性能。


此外,多频带设备(尤其是与新兴的 5G 标准兼容的设备)在其必须支持的每个频带,都需要单独的独立式天线。尽管有这么多原因,但芯片和贴片天线也有自身的短板。


芯片天线使用多层陶瓷结构构成在目标频率谐振的元器件(图 1)。与其他所有表面贴装元器件一样,它们的尺寸很小,可以轻松地贴装在 PC 板上。



我们用两个例子来说明它们的特性。Johanson Technology 2450AT18B100E 是适用于 2.4 至 2.5 千兆赫 (GHz) 频段的 1.6 x 3.2 mm 芯片天线,尽管它的体积很小,却能提供近乎全向的辐射模式,而无需考虑方向(图 2)。


类似这样的天线在便携式和手持无线设备中已得到广泛的成功应用。尽管芯片天线自身很简单,但设计人员必须将相关的驱动器电路与其 50 Ω 标准阻抗相匹配。当在分集架构中使用多个芯片天线时,这可能成为一大难题。



另一款芯片天线是 Taiyo Yuden AF216M245001-T,用于仿真同样适合 2.4 至 2.5 GHz 频带的单极螺旋形天线。该天线的尺寸为 2.5 x 1.6 mm,同样具有近乎全向的特征,并且可在 2.45 GHz 至 2.7 GHz 频带保持低于 2:1 的 VSWR(图 3)。



由于芯片天线具有成本低、体积小和易于使用等特点,它们看起来是可满足众多无线需求的最优解决方案。


尽管很多情况下的确如此,但在现实中,与所有元器件一样,芯片天线也有自己的短板。在此案例中,它们的典型效率相对较低,仅为 40% 至 50%,而且容易受周边的固定和变化条件影响,包括 PC 板布局、附近的元器件和用户等。


芯片天线的替代产品是贴片天线(图 4)。尽管它的尺寸比芯片设计要大,但相当扁平,因此往往能够沿产品外壳的内侧放置,远离元器件和其他辐射模式失真源。


贴片天线(例如 Pulse Electronics 的 W6112B0100)可支持包括智能电表、远程监测和物联网设计在内的 2 x 2 多路输入、多路输出 (MIMO) LTE 应用。尽管该天线的尺寸大于芯片天线(约为 8.8 英寸长 × 0.8 英寸高),但根据所支持的具体频带,其效率可达 55% 至 75%(图 5)。



第三种天线选择是 PC 板印制线方法,该方法使用 PC 板的一个或多个蚀刻层来创建天线。此解决方案没有直接的 BOM 成本,并且极度灵活,因为它能用于创建使用分立元器件无法实现的定制或独特天线。单一的印制线天线可以覆盖包括滤波在内的多个频带,并且支持多极化。


但天下没有“免费的午餐”,因为印制线天线往往需要占用大量的 PC 板空间,而且它的性能会受附近布局、元器件贴装和元器件类型的很大影响。理论上的印制线天线与其实际安装之间存在可能很难逾越的重大差距。


当系统包含多个天线,而拓扑要求在天线之间切换时,就会出现这样的问题——如何实现切换。机电开关很有效,并且具有出色的电气规格,但对于小型或便携式设备以及需要快速开关的设备而言,这显然不切实际。


相反,应使用电子开关,通常是基于 PIN 二极管的开关(参见“射频开关如何以及为何使用 PIN 二极管”)或固态开关(参见“半导体射频开关:体积小但性能强的电路元器件”)。尽管有时需要 PIN 二极管的属性,但与基于 PIN 二极管的开关相比,固态开关更容易使用和引入到电路设计中。


例如,Peregrine Semiconductor 的 PE42422MLAA-Z 是一款不含任何移动零件的基本 SPDT 射频开关,适合在 5 MHz 至 6 GHz 频带工作。将其引入到电路设计时,面临的设计挑战也较少(图 6)。


这款 50 Ω 元器件采用微型 12 引线 2 x 2 mm QFN 封装,结合了板载的 CMOS 控制逻辑和低压 CMOS 兼容型控制接口,无需外部元器件。它通常能在 2 毫秒内完成通道切换。



插入损耗的范围为 0.23 dB (100 MHz) 至 0.9 dB (6 GHz),整个范围内的三阶交调点 (IIP3) 为 75 dBm(最小值)。利用这类开关,可以轻松地在通用端口与两个独立端口之间实现隔离度为 68 dB(较低频率下)至 17 dB(较高频率下)的射频信号双向路由。插入损耗为 0.23 至 1.25 dB,同样取决于频率。


总  结


尽管天线的功能很简单,但它是将电路中的电功率转换为电磁场以及执行反向转换的复杂电磁传感器。传统的单元件天线(例如偶极和鞭形天线)现已增强为使用多层陶瓷、扁平贴片结构甚至产品自身的 PC 板的一个或多个天线。


将这些天线结合到紧凑型(通常为便携式)产品,需要仔细分析整个系统和封装,验证天线的理想化性能未受到过大的影响,并且能够达成设计目标。利用场解算器软件可以做到这一点,这类软件能够为实际安装中的电磁场和天线性能的详细建模及相关计算提供有力的支持。

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