如何使用贴片天线解决分级和多频带射频问题

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 ? 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。

图6：当有多个天线时，往往需要在天线之间切换射频信号路径。纯电子射频SPDT 开关（例如Peregrine Semiconductor 的PE42422MLAA-Z）提供的方法只需通过简单的安装和控制便能做到这一点，而且在5 MHz 至6 GHz 频带范围的开关时间仅为2 毫秒。（图片来源：Peregrine Semiconductor）

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。

采用先进的技术解决现实世界的问题

任何天线的性能都会受到其周边环境的影响，包括附近的元器件、屏蔽和封装等。可以对这些元素的效应进行建模，并在最终设计中加以考虑，但这往往需要多次交互才能达到需求冲突的平衡（参见"了解天线的规格和操作，第1 部分"和"了解天线的规格和操作，第2 部分"。

但对于紧凑的便携式和手持设备，问题要复杂得多，因为天线的周边环境一直在变化。用户在使用时可能朝不同的方向或靠近身体的不同部位（手腕、头部或躯干）握持产品，或将产品放在其他物体的附近。因此，天线处于次优环境中，在此环境中，天线的有效阻抗和共振频率会发生变化并导致性能下降。

当天线的共振频率发生偏移时，其呈现给无线电前端剩余部分的阻抗也会偏离初始值，造成阻抗失配。阻抗失配会产生三种效应。更多的能量从天线端子反射回来，而不是通过这些端子；由于负载牵引的原因，来自功率放大器(PA) 的输出功率下降；以及天线的辐射效率由于容性负载而降低。

过去几十年里，天线面临的这一处境导致射频链路预算不断下降，从而影响了产品的性能。由于网络和系统级性能的提升，这一性能降级没有引起用户的注意。更多的蜂窝基站、蜂窝基站天线波束形成的使用以及改进的误差校正技术，在很大程度上对其进行了补偿。由于系统级需求和用户需求不断提高，尤其对于新兴的5G 标准，这类补偿可能已经"入不敷出"了。

与此情形相关的损耗模式有三种：吸收损耗、阻抗失配损耗和天线辐射效率损耗。吸收损耗可能高达8 到10 dB，并且目前为止我们对此无能为力。阻抗失配损耗约为1 到2 dB，而天线辐射效率损耗约为2 到3 dB。可通过两种方法来弥补阻抗失配和辐射效率损耗：更改天线的匹配电路和更改天线的谐振。

无线设备供应商在其最新一代的设备中已经解决了该问题。动态调谐可以补偿导致天线共振频率发生偏移的头部和手部效应。这是通过使用闭环调谐周期减少天线与功率放大器(PA) 之间的失配以优化功率传输来实现的（图7）。

图7：闭环调谐用于动态修改阻抗匹配网络以实现最优性能及减少损耗。（图片来源：Antennasonline.com）

在闭环调谐中，将会实时检测不可避免的反射系数变化。方法是通过定向耦合器同时监测天线端子上的正向功率和反射功率的幅度和相位（参见"微型定向耦合器可满足紧凑型射频应用的需求"）。然后，系统将合成一个用于调整位于天线馈电点的匹配网络的复数共轭，以增强前端与天线之间的射频功率传输。这可以将损耗减少多达1 到3 dB。

这种闭环调谐方法尽管很有用，但也存在几点不足。测量反射系数