虚拟天线简化了物联网嵌入式天线设计

在无线领域，天线一直处于一种相互矛盾且有时令人困惑的状态。一方面，天线只是简单的无源换能器，用于实现以下两种能量的相互转换：一是导体中以电压和电流表现的束缚能量，二是存在于真空或空气中的分散、辐射的电磁能量。另一方面，天线的具体物理实现、配置、样式和尺寸之多令人无所适从。自无线技术的早期（想想马可尼一百多年前发明的电报）以来，天线的概念、设计和制造经历了几个大的阶段。

第一阶段

第一代天线基于两种基本结构之一：一是具有相关地平面的单极天线，有时称其为鞭形天线（图 1）；二是配置各异的平衡非接地偶极天线，例如折叠偶极天线（图 2）。虽然研究人员和工程师知道天线性能最终是由麦克斯韦的四个清晰利落的方程控制，但由于建模和计算极其复杂，人们无法将这些方程直接用于天线设计。

图 1：长线或鞭形天线的布置是一个使用地平面（这里是汽车的表面，左）的单元件设计；天线的示意图显示其很简单（右）。（图片来源：Lihong Electronic（左）；Electronics Notes（右））

图 2：基本偶极是一个没有接地基准的平衡式、对称天线（上），如图所示（下）。（图片来源：TCARES.net（上）和 Tutorials Point（下））

因此，与天线相关的分析仅限于使用一些基本方程来确定天线元件的尺寸，例如单极天线、偶极天线、长线天线和其他几种配置。这些方程也根据经验法则、直觉和现场试验进行了修改。例如，偶极天线使用导管（而非细线）会增加其带宽，这是好事还是坏事要取决于具体应用；以经验和基本测量为指导可估算带宽增加量与导管直径的关系。即使是关于天线设计及其工作原理的学术讨论，也很少讨论除基本布置与波长关系以外的方程式，而基本布置与波长的关系已在 1926 年关于经典八木-宇田天线的技术论文（参考资料 1）（图 3）中阐明。

图 3：基础型八木天线（上）是一种三元件天线，广泛用于商业、住宅和军事应用。三个元件（下）分别是：一个从动（有源）偶极元件，后面有一个无源反射器，前面有一个无源引向器，全部安装在一个悬臂上。（图片来源：EuroCaster/Denmark（上）；RFWireless-World（下））

第二阶段

天线设计创新的第二波始于能够捕获天线属性的模型和算法的出现，只要模型不是太复杂，这些模型和算法就可以在计算机上执行，在合理的时间内求解电磁场模型和方程。

借助这些“场解算器”，新天线配置的设计人员可以综合运用天线理论和从现场经验获得的洞察力来提出新的布置，对其进行建模，并最终“在纸面上”量化其性能，使得初始设计阶段无需物理模型和现场测试。这种方法在一定程度上奏效，但仍然有碰运气的成分。然而，它确实使工程师能够专注于天线设计并反复调整，直至达到项目目标。

洛克希德 (Lockheed) 传奇的臭鼬工厂研制的第一架隐形飞机 F-117“夜鹰”就是一个非凡的例子（参考资料 2 和 3）。关于将其雷达特征信号减小许多数量级的大部分理论工作都是基于解析解和复杂方程。

这些方程分析了飞机在雷达信号中对电磁能量场的反射。该项目的目标是在蒙皮材料、形状、尺寸、角度、接头和其他设计元素方面使用独特且非常规的选择，以尽量化解这些表面充当天线的固有倾向。这反过来又导致飞机以类似天线的模式重新辐射和反射能量，使其对雷达系统接收机不可见。

大不相同的第三阶段

我们现在正进入基于模型的天线设计的新浪潮——从另一个角度应对挑战。物联网 (IoT) 设备或智能手机并不依赖专用天线来辐射射频信号，而是直接从地平面辐射信号。

为此，传统的嵌入式天线被 Ignion 的 NN03-320 DUO mXTEND 天线增强器（图 3）取代，后者是一款 7.0 mm 长 × 3.0 mm 宽 × 2.0 mm 高的无源器件，尺寸约为传统天线的十分之一（请注意，在 2021 年之前，Ignion 被称为 Fractus Antennas）。

图 4：Ignion 的 NN03-320 DUO mXTEND 是一款微型无源器件，它使用产品的电路板地平面来辐射射频信号。（图片来源：Ignion）

凭借其独特的虚拟天线专利技术（针对基于新一代微型元器件的“无天线”技术的商业名称），无论印刷电路板的尺寸或外形如何，该增强器都能同样实现。设计人员通过创建和调整匹配网络的元器件布置和数值，将其调谐到所需的频带。

换言之，这种布置在天线增强器和周围的地平面之间产生了一种全新有益的协同作用。做一个粗略的类比——将小型音频压电驱动器连接到坚硬的桌面：桌面会产生共振，其结果是音频输出水平显著提升。

Ignion 天线增强器是标准的现成即用表面贴装器件，可替代传统的定制平面倒 F 天线 (PIFA) 和印刷电路天线。这些增强器比工作波长小得多，通常小于波长的 1/30，甚至小于 1/50 或更小。该增强器提供功能齐全的多频段无线连接，使单个天线增强器能够在多种移动和无线设计中有效运行，从而缩短上市所需时间，减少产品开发投资，当然也节省了成本。此外，天线增强器实际上是以片式天线的形式构建，因此可以使用传统的拾放系统进行安装，这有助于降低生产成本并提高质量和可靠性。

实现匹配

匹配网络是实现独特增强器性能的关键。虽然天线增强器是标准配置，可用于各种移动产品，但匹配网络确实需要针对每款产品进行定制，但这是一次性的前期设计工作。

通过更改匹配网络，可以定制增强器的射频响应，以覆盖现代物联网设备或智能手机所需的多个频带。较简单的单频带物联网设备需要的匹配网络通常包含三到五个元器件，而多频带智能手机可能需要若干增强器，其匹配网络包含五到八个高 Q 元器件。

Ignion 提供免费的开发工具以简化设计工作，让设计人员可以将增强器虚拟放置在电路板边缘附近，在增强器周围划定一个没有元件的“空白”区域，然后计算匹配网络所需的无源元件。对于多端口 NN03-320，计算出的匹配网络允许设备覆盖多个频带和应用，包括 GNSS、蓝牙、5G 和 UWB，频率范围为 1561 至 1606 MHz、2400 至 2500 MHz、3400 至 3800 MHz、3100 至 4800 MHz 和 6 至 10.6 GHz（图 5）。

图 5：当在射频源和增强器之间安装合适的无源元件匹配电路时，NN03-320 天线增强器可用于不同的和/或多个频带。（图片来源：Ignion）

针对每个频带，NN03-320 规格书使用标准天线参数，包括效率、峰值增益、VSWR、极化和辐射模式，说明了该 50 Ω 虚拟天线增强器和优化匹配网络的性能。

应用说明给出了典型的匹配网络示意图，如图 6 所示，并且包含一个表格，其中针对每个所需频率范围列出了建议的无源元件值。这些值可以作为起始点，需要对其进行调整以考虑意外寄生效应，以及显示器或 IC 等附近元器件的影响。

图 6：建议的双频带匹配网络示意图，另有一个建议的无源元件值表格，可作为设计、分析和评估的起始点。（图片来源：Ignion）

结语

天线增强器（如 Ignion 的增强器）是一种不同的射频能量辐射方式，使用地平面作为辐射表面。此类无源表面贴装增强器为物联网设备和智能手机提供了替代传统嵌入式天线布置的解决方案。只需适当配置无源匹配网络，单个虚拟天线设备就可以服务于射频频谱的不同部分。

参考资料

1： Yagi, Hidetsu; Uda, Shintaro, Proceedings of the Imperial Academy (February 1926)."Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves" (PDF).

2： Air Force Magazine, “How the Skunk Works Fielded Stealth”

3： Ben Rich, “Skunk Works: A Personal Memoir of My Years of Lockheed”