设计出现的原因，为何说设计成败至关重要是建模和仿真

很多朋友对设计出现的原因，为何说设计成败至关重要是建模和仿真不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

手持和便携式无线产品，如智能手机和可穿戴电子设备，依赖于可以嵌入设备中的微芯片、贴片和印刷线天线。虽然这些小型设备解决了小尺寸系统中携带多频带天线阵列的问题，但它们也引入了相关问题，如辐射效率下降、阻抗匹配以及与附近物体和人体的相互作用。

为了解决这些问题，设计人员开始采用新的设计和电路方法，使得这些天线不仅是一个独立的组件，而且是可以解决上述设计挑战的动态天线子系统的一部分。这种设计转换需要大量的模拟和分析，不断改进的场求解软件可以满足这种需求。

芯片天线和贴片天线提供了一种折衷方案。从传统的外置鞭状天线或短截线天线过渡到贴片天线和贴片天线的原因有很多，第一个就是外置天线的美观和折叠问题。从性能的角度来看，智能手机等设备通常需要在给定的频带中使用多个天线来提供天线分集，从而提高性能。此外，多频段设备(尤其是那些与新兴的5G标准兼容的设备)需要在其必须支持的每个频段中使用单独的独立天线。

尽管有这么多原因，但芯片和贴片天线也有各自的缺点。

芯片天线使用多层陶瓷结构来形成在目标频率谐振的组件(图1)。像所有其他表面贴装元件一样，它们尺寸小，可以很容易地安装在PC板上。图1:如果没有尺寸小、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法实现。图为18B100e的Johanson Technology 2450，位于广泛使用的2.4-2.5 GHz频段的中间。(来源：约翰森科技)

我们用两个例子来说明它们的特点。约翰森科技2450at18b100e是一款适用于2.4-2.5 GHz频段的1.6 x 3.2 mm芯片天线。虽然它很小，但无论方向如何，它都可以提供几乎全向的辐射模式(图2)。像这样的天线已经广泛并成功地用于便携式和手持式无线设备中。虽然芯片天线本身很简单，但设计者必须将相关的驱动电路与其50标准阻抗相匹配。

当在分集架构中使用多个芯片天线时，这可能会成为一个大问题。

图2: Johanson描述了芯片天线在所有三个轴(从上到下：a) XY，b) XZ和c) YZ)上的辐射图；注意，这种模式在所有三个轴上几乎是全向的。(来源：约翰森科技)

另一款芯片天线是太阳电AF216M245001-T，用来模拟同样适用于2.4-2.5 GHz频段的单极螺旋天线。该天线的尺寸为2.5 x 1.6 mm，还具有近乎全向的特性，在2.45 GHz至2.7 GHz的频段内可以保持小于2:1的VSWR(图3)。图3:太阳电AF216M245001-T芯片天线在其2.45 GHz至2.7 GHz的主要工作带宽内，可以保持2:1的VSWR。(图片来源：太阳电)

由于其低成本、小尺寸和易于使用，芯片天线似乎是满足许多无线需求的最佳解决方案。虽然这在很多情况下是对的，但在现实中，像所有的元件一样，芯片天线也有自己的缺点。在这种情况下，它们的典型效率相对较低，只有40%到50%，并且它们很容易受到周围固定和变化的条件的影响，包括PC板布局、附近的元件和用户。

芯片天线的替代产品是贴片天线(图4)。虽然它的尺寸大于芯片设计，但它相当扁平，因此通常可以沿着产品外壳的内部放置，远离组件和其他辐射图失真源。

贴片天线(如Pulse Electronics的W6112B0100)可以支持2 x 2多输入多输出(MIMO) LTE应用，包括智能电表、远程监控和物联网设计。虽然天线比芯片天线大(约8.8英寸长，0.8英寸高)，但根据支持的具体频段，其效率可以达到55%至75%(图5)。

图4:贴片天线(如Pulse Electronics的多频段W6112B0100)不贴在PC板上，而是连接到产品外壳内部，远离电路板和电路。(来源：Pulse Electronics)图5:用于2 x 2 MIMO 4G/LTE的W6112B0100设计工作频率为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等频段，并能保持高效率。(来源：脉冲电子)

第三种天线选择是印刷电路板印刷布线方法，它使用印刷电路板的一层或多层蚀刻层来制作天线。这种解决方案没有直接的BOM成本，非常灵活，因为它可以用来创建定制或独特的天线，而这是分立元件无法实现的。单个印刷线天线可以覆盖包括滤波在内的多个频带，并支持多极化。

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 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。测量反射系数的幅度和相位，然后确定共轭匹配，这需要大量的计算周期和时间，或者需要使用查询表。查询表的速度较快，但精度较低。为实施复杂的匹配，需要采用复杂的匹配电路。使用此方法实现的性能提升通常为1 到3 dB。

闭环调谐的替代方法是孔调谐，该方法通常与阻抗匹配搭配使用。这种情况下，将以电气方法更改天线尺寸（调谐状态），将其谐振恢复到最大功率传输点，而不是调整匹配网络以适应天线阻抗变化（图8）。这需要大量小间距的调谐状态。

图8.经过孔调谐的天线会动态调整天线的谐振长度以最大限度减少损耗。（图片来源：Antennasonline.com）

这种情况下，与闭环调谐一样，将在天线的馈电端子处测量反射系数。接着，使用其中的一种方法执行此测量，确定最佳的新调谐状态。其中三种方法为标量方法，只需使用简单的定向耦合器监测天线端子处的反射功率幅度，然后应用不同的计算方法（被称为平方拟合、阈值调整或凹点检测）。

第四种方法基于矢量，并使用反射系数的幅度和相位来确定天线结构的S 参数矩阵解，然后确定恢复天线的共振频率所需的调谐器设置。通常可减少2 到4 dB 的损耗。与阻抗匹配结合使用，总体改进范围为3 到7 dB。

对设计成败至关重要的建模和仿真对于标准鞭形设计等外部天线，在设计周期的早期只有极少甚至不进行任何性能建模。但对于芯片、PC 板印制线天线，甚至对于非常靠近低噪声放大器或功率放大器的贴片天线而言，天线仿真及其实现都至关重要。不可能仅通过构建、测试、修改、重复和迭代就能找到合适的配置。

不仅必须对天线进行建模，还必须对整个周边环境（PC 板、元器件、外壳甚至用户的手或头部位置）进行建模和分析。

所幸的是，已经有很多先进的电磁场解算器应用程序包能够解决仿真问题。为其提供支持的是功能强大的PC 或基于云的计算平台，它们能够运行这些场解算器执行分析所需的海量计算。这些场解算器还能通过最小值/最大值试验或跨多个变量的蒙特卡罗运行，来分析设计容差的影响。

它们可以显示在GHz 频率下即便几分之一毫米的变化也能产生重大影响，实施“假设”分析以研究可能的设计变更产生的影响，以及突显设计的不足或意外的特征。

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。

以上知识分享希望能够帮助到大家！