如何使用贴片天线解决分级和多频带射频问题

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。

图1：没有体积小、成本低且易于应用的陶瓷芯片天线，许多便携式无线设备将无从实现。图中显示的是Johanson Technology 2450AT18B100E，位于广泛使用的2.4 至2.5 GHz 频段的中间位置。（图片来源：Johanson Technology）

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 ? 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。

图2：Johanson 描述了芯片天线在全部三个轴（自上而下分别为：a) XY、b) XZ 和c) YZ）上的辐射模式；请注意，该模式在所有三个轴上近乎全向。（图片来源：Johanson Technology）

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）。

图3：Taiyo Yuden 的AF216M245001-T 芯片天线可在其主要工作带宽2.45 GHz 至2.7 GHz 范围内保持2:1 的VSWR。（图片来源：Taiyo Yuden）

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）。

图4：贴片天线（例如Pulse Electronics 的多频带W6112B0100）并非贴装在PC 板上，而是连接到产品外壳的内部，远离板和电路。（图片来源：Pulse Electronics）

图5：适用于2 x 2 MIMO 4G/LTE 的W6112B0100 设计为在698 MHz 至960 MHz、1.428 GHz 至1.51 GHz、1.559 GHz 至1.61 GHz、1.695 GHz 至2.2 GHz、2.3 GHz 至2.7 GHz 和3.4 GHz 至3.6 GHz 等多个频带工作，并能保持较高的效率。（图片来源：Pulse Electronics）

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