天线设计的发展

苹果(Apple) iPhone 4的天线问题是现代天线设计中可能出现问题的一个经典例子。如果把它放在错误的地方，一个看似无关紧要的部件可能会把一个很酷的新产品变成一场公关噩梦。

自从天线从人们的视线中消失后，大多数消费者就不再考虑它了。在20世纪60年代，几乎每个家庭都有屋顶天线。快进到现在，大多数设备都是通过电缆或无线连接的。天线还在，但已经看不见了。而且它们比以前更加重要，设计起来也更加复杂。

图1所示。屋顶天线曾经主宰着整个景观。

“这是一个非常复杂的问题，变得越来越复杂。从天线的放置、选择和管理角度来看，汽车无疑是最复杂的无线系统，”赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)汽车无线技术高级产品营销工程师Richard Barrett指出。“除了航空航天或军事，我想不出还有哪个行业能像汽车行业那样复杂。汽车行业更为复杂，因为消费者行业有很多车型。”

他说，工程师必须首先了解他们的局限性，以及他们需要与什么合作才能找到最佳解决方案。他说:“一些基本原理已经具备了，而且很多电子设备都被装进了一辆车里，车上的无线电设备也将发生巨大变化。它可以在金属外壳中，在防火墙后面，并与周围的其他无线电或发射设备共存，这对它自己来说是一个巨大的挑战。此外，无论是在车顶、后视镜、信息娱乐系统内还是发动机舱内，温度因素都是驱动因素。这也将定义无线电可以做什么，等等。”

天线的位置是关键，最佳位置通常是环境对性能影响最小的地方。

“理想情况下，放置在预期工作环境中的天线应该像它们通常在隔离设计时一样工作，周围没有任何东西，”高通公司的高频产品经理肖恩·卡朋特说有限元分析软件．“然而，现实情况是，对集成产品尺寸缩小的渴望，让消费者满意的美学，以及缺乏用于隔离集成天线的空间，导致天线性能下降。”

这种性能影响通常来自于与安装天线的产品、平台或车辆的其他部分的耦合。平台特征，如有限的地面平面、电池、曲面、材料涂层和油漆以及支撑结构，可以耦合天线的意外能量，并改变其辐射和/或接受功率的方式。因此，天线设计需要在其基本设计中考虑天线的放置效果，以补偿由环境引起的潜在性能。

卡彭特说，天线的最佳位置还取决于天线的预期用途。“在某些情况下，安装天线的产品、平台或车辆的方向会随着时间的推移而变化，因此我们要求天线尽可能均匀地向各个方向辐射和接收。”

图2:天线中的辐射增益经常偏离理想的各向同性行为。来源:柏树。

考虑一下集成到移动电话中的天线。手机的方向可以不断变化，而且手机需要与最近的信号塔保持持续联系。如果手机天线在信号塔方向的增益很弱，那么这一环节的弱点就必须通过使用更多的发射功率来弥补，或者通过增加接收器的灵敏度来弥补，这反过来又会导致电池寿命的缩短。

然后，对于全向天线，应将天线放置在其辐射模式尽可能不受干扰的位置，这通常意味着将其放置在与其他导体尽可能远的地方。这与通常要求整个产品(包括天线)尽可能小的要求背道而驰。他观察到，面对这些挑战的设计师通常会在产品的边缘或侧面安装天线，并尝试在整体天线设计中预测近场耦合(天线耦合放置效应)对产品或车辆其他部分的影响。

图3:设备中有多个天线。来源:ANSYS。

“其他天线本质上是有方向性的——它们旨在可靠地将能量集中在特定的方向上。这种天线对附近结构的耦合非常敏感，这反过来又会降低天线将能量集中在特定方向的能力。如果这个天线的方向性降低，那么就需要更多的发射功率来克服链路增益的损失，并且接收机将对来自非预期方向的信号具有更高的敏感性。由于环境对射频系统整体性能的影响，定向天线的正确位置一直是天线系统工程师关注的问题。”Carpenter说。

系统级的角度
另一个在其他地方看不到的降低汽车复杂性的方法是，正在开发解决方案的汽车OEM的核心设计团队可以从本质上设计核心电子产品，以及具有无线电(WiFi、蓝牙、LTE)的核心盒子，并可以就天线应该如何放置和实现给出一些建议。

巴雷特说:“但最终，他们并不一定会控制这一点，因为这将取决于车辆模型。”“举一个最极端的例子，让我们以通用汽车公司为例。通用汽车公司的核心工程团队开发的同一系统可能被部署在雪佛兰伏特或凯迪拉克凯雷德ESV上。它在物理上的作用有很大的不同。因此，工程团队无法预测最终模型中的射频环境会是什么样子，也无法预测盒子的位置，以及它们将如何路由到天线。没有其他系统是这样的。你买了一部手机，手机设计师清楚地知道里面有什么，它将被用来做什么。但汽车的变化如此之大，任何电子产品的丑陋之处——尤其是无线，无论是环境或射频发射，还是仅仅是金属屏蔽——一切都是复杂的。”

图4:混合信号。来源:ANSYS。

更复杂的是，天线和其他发送或接收设备之间可能会发生冲突。

公司的高级解决方案架构师迈克尔•汤普森表示:“你几乎肯定会有冲突节奏．“至少当我设计一辆汽车时，我可以考虑到这一点，因为我知道我将在哪里放置这些天线，而且由于法拉第笼，汽车内部会发生一些独特的事情。根据天线是在汽车内部还是外部，以及汽车周围是否存在耦合，所有这些事情都可以建模，以便预先做出准备，以确保没有耦合，或者最小化或过滤它。”

汤普森说，未来更大的问题将是每个人都开始在他们的车里安装多个雷达。“我们怎么知道你接收到的信号是你发送给雷达的信号，还是其他信号，而不是别人的车?”干扰是另一种类型的问题，但它显然会发生。这是一个完全不同的市场，但电子战都是基于发出信号来愚弄/假装一些其他的反应。这可以通过天线后面的一些信号处理来处理，但天线不能区分什么是好信号，什么是坏信号。它所知道的就是它以特定频率从某个区域接收能量。它吸收能量，并将其传递给接收器。”

为了解决这些问题，芯片制造商能做的最好的事情就是提供建议。巴雷特说:“如果你在一个金属盒子里，你必须在盒子上切一个槽，这样射频就有地方可以进去了。”“它必须能够看到外面。如果你能从外面连接到外面的天线，那是个好主意。”

然后是天线设计成本的问题。

他说:“每个人都希望能够使用便宜的倒F印刷电路板天线来做世界上所有的事情，但这只是从成本方面来看。”“从工程方面来看，你希望有漂亮的偶极天线，电缆连接到最优位置，最终使用机舱，面向消费者。对于外部车辆，你要让它在正确的方向上面对车外。这是两个极端。现实世界介于两者之间。”

考虑因素有很多，这是由不同车型的复杂性以及用例的复杂性所驱动的。有些系统主要监视车外(比如LTE调制解调器)，但WiFi和蓝牙可以监视车内外。

“你为乘客优化了吗?您是否优化连接到外部接入点?你是否在尝试一种混合的方法，当你进行工程权衡时，这意味着没有任何优化?这些都是整个市场面临的巨大挑战。”“为了解决这个问题，市面上有更多的电缆系统，因为至少如果你把电缆连接到天线上，那么你就可以控制天线相对于乘客或汽车外部的位置。虽然您不能多次控制电缆的长度，并且确切地知道RF将会是什么样子，但至少您在那里有了更多的控制。你可以清除你的无线电通过天线辐射到它试图辐射的地方，以及接收或发送到/从哪里之间的空间。”

有机舱内和外部的考虑。值得庆幸的是，机舱内的性能并不那么重要。天线通常彼此靠近，所以标准的WiFi和蓝牙技术可能不应该太敏感或传输功率太高，因为它可以保持本地化。

“然而，现在有很多应用程序也需要连接到车外，无论是LTE调制解调器连接到WiFi接入点，你想把它卸载到WiFi，当你在缓慢移动的交通中连接到外部WiFi的速度越快，接入点就有越多的时间来考虑它。信号越强，从接收器灵敏度或传输断电的角度来看，链路预算越好，你就能在盒子上保持更长时间的连接。”他补充道。

空中升级是另一个可能受到影响的领域。对于这些情况，一辆车可能停在车库里，家里的媒体服务器会自动下载到车上升级软件，就像智能手机一样。由于房屋的大小不同，并且取决于施工方法，必须考虑射频环境，因此外部应用天线的放置和最大限度地提高链路预算是至关重要的。这一切都归结于对射频中可以控制的内容的可预测性，车辆的外观，以及愿意花钱购买像样的天线。

算法、技术
汤普森说，在分析系统时，有许多技术已经存在了一段时间。“我们一直在寻找更好的方法来校准它们，并在计算机架构中实现它们，使它们运行得更好，但其中许多技术已经存在多年了。它们确实工作得很好，但你必须能够非常准确地描述你将在模拟器中操作的物理现实，这往往成为问题的一部分。”

汤普森解释说，创建描述的最佳方式，就像天线设计本身一样，取决于所分析的内容。“例如，如果我看到辐射问题，不仅来自真正的天线，而且来自电路——EMI/EMC——这些类型的问题来自电路正在辐射的事实。如果你在某个特定的频率上设计了一个天线，它在这个频率上工作得很好，只是因为它是在这个频率上设计的，并不意味着它不会在另一个频率上辐射。电路板也是如此。从这个角度来看，很多时候，平面工具，像“矩法”这样的技术，运行得更快，容量更大，所以你会希望设计师能有这样的东西。与此同时，你可能会看到键合线，连接器，3D效果，所以更像有限元方法更合适;一个能够处理多种电磁技术的环境正是设计师所需要的。”

ANSYS、CST、Antenna Magnus和Mathworks等都提供了该领域的工具。Cadence表示，它正在与主要合作伙伴一起研究这一领域。来自Cadence、Mentor Graphics、Synopsys和其他EDA提供商的工具已经在天线设计的模拟中使用了一段时间。

结论
今天的天线设计仍然是黑色艺术的一部分，但考虑到它在物联网和汽车领域的作用，这种情况即将改变。未来的设计方法将从许多来源汲取关于设计的知识，而不仅仅是设计团队以前的经验。这些数据点的收集将进入用于设计、验证和优化每种独特情况的天线的任何工具中。随着天线设计的复杂性，需求也在不断上升，这一领域的变化也在迅速发生。

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