如何將越來(lái)越多的天線塞進(jìn)越來(lái)越小的移動(dòng)設(shè)備？這個(gè)問題困擾了設(shè)計(jì)師數(shù)十年。人們總認(rèn)為，答案很簡(jiǎn)單：用更小的天線或?qū)⑻炀€更緊密地排布就能解決問題。殊不知，天線的尺寸和位置都有基本的限制。天線以電磁波的形式向多個(gè)方向發(fā)射能量。單獨(dú)一根天線，一切都很好。如增加一根天線，第二根天線就會(huì)淹沒在第一根天線發(fā)射出的強(qiáng)大信號(hào)之中，降低其接收微弱信號(hào)的能力。

兩根天線，情況已經(jīng)很糟了。但目前，一臺(tái)普通智能設(shè)備可配備多根天線，包括一兩根Wi-Fi天線，一根藍(lán)牙天線，一根GPS天線，兩根或四根4G LTE蜂窩通信天線。

LTE天線多重性是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這是為了避免手機(jī)掉線，比方說(shuō)，在通話時(shí)用手遮擋了一根天線，就會(huì)產(chǎn)生干擾。同一通信鏈路擁有多個(gè)天線可使手機(jī)運(yùn)營(yíng)商合并多個(gè)數(shù)據(jù)流，提升數(shù)據(jù)傳輸速率。不久的將來(lái)，5G通信還會(huì)增加這種合并的復(fù)雜性。手機(jī)的可用頻帶將擴(kuò)展至6千兆赫（GHz），現(xiàn)有天線的任務(wù)會(huì)更艱巨，同時(shí)要求天線運(yùn)行在28 GHz和37 GHz頻段。

設(shè)備設(shè)計(jì)師必須假設(shè)同一個(gè)組件中的所有天線同時(shí)工作。確實(shí)如此，設(shè)備常常在通過Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡(luò)播放流媒體視頻的同時(shí)運(yùn)行使用GPS和藍(lán)牙的App。芯片集制造商一直致力于功能合并，如使Wi-Fi和藍(lán)牙共用一個(gè)天線。設(shè)計(jì)兩個(gè)協(xié)同合作的系統(tǒng)是有益的，但這只能解決問題的皮毛。

所以現(xiàn)在的問題是，在一個(gè)狹小的物理空間內(nèi)，多根天線要互不干擾地同時(shí)工作。設(shè)計(jì)人員曾試圖通過減小天線的尺寸、增強(qiáng)天線的方向性來(lái)解決這一問題。他們還曾尋求更有效的天線隔離方法，但棘手的是可用空間太小。

唯一合理的方案是采用新的天線設(shè)計(jì)方法。不是制造單個(gè)天線，讓設(shè)計(jì)師選擇放置位置，而是設(shè)計(jì)一套可作為一個(gè)系統(tǒng)共同工作的天線組合，然后將該系統(tǒng)作為一個(gè)整體單元安裝到移動(dòng)設(shè)備中。

在深入討論此方法前，我們應(yīng)當(dāng)回顧一些天線基礎(chǔ)知識(shí)。天線就是一個(gè)換能器，多為銅制，在接收信號(hào)時(shí)獲取發(fā)送過來(lái)的能量，并將信號(hào)傳送給無(wú)線電芯片組。芯片組接收此模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供設(shè)備主處理器使用。信號(hào)發(fā)射過程與此相反。

天線又如音叉，僅在自然共振的頻率上能有效獲取能量。通常，天線的共振頻率取決于物理尺寸，但也可以在不改變尺寸的情況下，通過增加電子元件“調(diào)整”天線的共振頻率。為了將天線排布在一個(gè)小空間，設(shè)計(jì)師要將它們扭成各式形狀。但是，天線的形狀和天線之間的距離是有物理限制的。

最初，移動(dòng)電話只有一個(gè)天線，用于接收和傳輸蜂窩信號(hào)。那時(shí)，從手持部位伸出的天線是可識(shí)別的，有的是可伸縮折疊的，有的就是一個(gè)隆起的凸塊。在很大程度上，當(dāng)時(shí)這是一個(gè)美學(xué)設(shè)計(jì)。但它確實(shí)給天線設(shè)計(jì)師很多空間來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳的信號(hào)接收效果。

今天時(shí)尚的設(shè)備已經(jīng)放棄了這種樣式，即使保留這種樣式也無(wú)濟(jì)于事。層出不窮的手機(jī)功能迫使天線數(shù)量成倍增加，這些天線擠在一起是不能工作的，相互干擾將破壞其功能。

齊聚一-體:筆記本電腦使用的傳統(tǒng)天線是沿著設(shè)備邊緣分布，以減少信號(hào)阻塞，盡可能增大間隔，減少彼此間干擾?，F(xiàn)在，所有天線組合在一起作為一個(gè)三維組件，可緊湊地排布在筆記本電腦鉸鏈轉(zhuǎn)軸處，此處有利于接收信號(hào)，且互不干擾。

當(dāng)下，設(shè)計(jì)人員將不同的天線排布在手機(jī)四周的不同位置，通常是手機(jī)殼邊緣和后部，減少天線的彼此干擾，但很難避免用戶手遮信號(hào)。還記得iPhone 4的問題嗎？只要用戶改變手持手機(jī)的位置，就會(huì)造成這款手機(jī)信號(hào)的減弱，讓人大為惱火。這件事引發(fā)了使用多根同頻天線的熱潮，這些天線通常在手機(jī)底部和頂部以及左上角和右下角成對(duì)排布。

時(shí)代在發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越纖巧，功能越來(lái)越多，這要?dú)w功于摩爾定律對(duì)其中多數(shù)電子器件的影響。但摩爾定律對(duì)天線沒有幫助。天線設(shè)計(jì)是模擬電子技術(shù)最后的堡壘。通過巧妙的工程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)材料的新形狀，或以不同組合配對(duì)傳導(dǎo)材料，可以保持天線的共振頻率，體積上也可做得更小，但往往無(wú)法做到低成本和高性能。有時(shí)甚至?xí)剐阅芙档偷讲荒苷Ｊ褂玫牡夭健Ｓ腥嗽鴱膩喼拶?gòu)買過一臺(tái)早期的智能手機(jī)，發(fā)現(xiàn)打開Wi-Fi后無(wú)法使用GPS。

將一大把天線塞入小小的手機(jī)遇到了困難，筆記本電腦也面臨同樣的窘境。表面看來(lái)，筆記本電腦制造者有更多的空間來(lái)排布天線，但他們?cè)絹?lái)越多地使用金屬和碳纖維做設(shè)備外殼。這些材質(zhì)耐用且美觀，但其導(dǎo)電性或吸收性會(huì)阻擋無(wú)線電信號(hào)。因此，天線往往排布于顯示屏的鉸鏈軸或塑料邊框內(nèi)?？捎每臻g越來(lái)越狹小。

巴塞羅那的Fractus公司正試圖解決這一問題。該公司研制出邊長(zhǎng)僅有幾毫米的微小天線，F(xiàn)ractus公司稱之為“隱形”天線，可在窄帶（如單一Wi-Fi頻道）較好地工作。

另一種方法是使用多個(gè)定向天線，動(dòng)態(tài)選擇接收指定頻率信號(hào)效果最佳的天線。通常此項(xiàng)技術(shù)用于Wi-Fi路由器卓有成效。但它在較小的空間內(nèi)效果欠佳，因?yàn)闊o(wú)法選擇天線的形狀與位置，所以通常不用于小型移動(dòng)設(shè)備。

將天線排布到狹小空間而不受干擾的一種更加傳統(tǒng)的方式是“極化”。這個(gè)概念與偏光太陽(yáng)鏡的原理類似。偏光太陽(yáng)鏡涂膜中的分子排列整齊，只允許特定方向的光通過，可以減少眩光。在最簡(jiǎn)單的情況下，垂直放置天線發(fā)送的極化無(wú)線電波與水平放置天線成直角，當(dāng)兩個(gè)不同方向的天線同時(shí)發(fā)射電波時(shí)，相互干擾的程度要比同一方向上的天線小得多。同樣，每個(gè)天線都可以更好地接收到微弱的遠(yuǎn)距離信號(hào)。遺憾的是，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)前產(chǎn)品的物理局限，該技術(shù)的實(shí)施頗具挑戰(zhàn)性，特別是在多于兩個(gè)信號(hào)的情況下。

我們位于英國(guó)伯明翰的智能天線技術(shù)公司（Smart Antenna Technologies）采取了不同的方式。我們承認(rèn)天線擠在一起發(fā)射射頻信號(hào)，會(huì)彼此干擾，我們認(rèn)為專注于設(shè)計(jì)一根完美的天線是無(wú)意義的。

為了防止天線互相干擾，我們能做的就是使用標(biāo)準(zhǔn)極化技術(shù)，同時(shí)我們改變天線的三維物理形狀，使天線具有方向性，而且天線的方向彼此相反。

為讓天線更易于撇開外來(lái)無(wú)關(guān)信號(hào)，我們嘗試以非傳統(tǒng)的方式使用濾波器。通常，天線使用的濾波器為帶通濾波器，僅允許指定頻帶的信號(hào)通過。目前，此類濾波多為數(shù)字濾波。數(shù)字帶通濾波器的問題是要在模擬信號(hào)到達(dá)接收器并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字流后才可使用。這就太遲了，無(wú)法避免無(wú)線電工程師所稱的“靈敏度劣化”問題：如果需阻隔的帶外信號(hào)擁有足夠的能量，那么在大功率信號(hào)存在時(shí)以及其后的一段時(shí)間內(nèi)，接收器將無(wú)法檢測(cè)到較弱的信號(hào)；能量差異可能極大——比如，無(wú)用信號(hào)為1瓦，而目標(biāo)信號(hào)為3毫瓦。

將多根天線裝入常見物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狹小空間，這種挑戰(zhàn)令人生畏。我們采用完全相反的方法。我們已知周圍天線發(fā)射的頻率，因此用模擬濾波器搜尋特定的頻率，并將這些信號(hào)短路接地，耗散它們的能量，同時(shí)指定的信號(hào)可無(wú)干擾地通過接收器。我們使用的也是標(biāo)準(zhǔn)的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)。例如，在指定頻率點(diǎn)，用信號(hào)匹配識(shí)別傳輸信號(hào)。此方法的關(guān)鍵在于前端濾波（屬于模擬技術(shù)），并在信號(hào)到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)接收器和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前，動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)變信號(hào)。

應(yīng)用所有這些技術(shù)，我們可以在幾厘米的空間內(nèi)緊密地排布天線。但要將它們?nèi)亢侠淼胤胖迷谌S空間中并實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作，這并非易事。我們不能將這一步留給設(shè)備設(shè)計(jì)人員或制造商來(lái)解決，因此也不是在制造單個(gè)組件，而是移動(dòng)設(shè)備所需的一整套天線。這套天線集成在一個(gè)0.44毫米厚的柔性印制電路板上，柔性設(shè)計(jì)降低了制造成本。?我們可先在二維空間加工，然后再轉(zhuǎn)為三維封裝——制作一個(gè)塑料模型，再用柔性電路板將它裹起來(lái)。

其中一種模型呈細(xì)長(zhǎng)形，橫截面是三角形。我們的電路板沿三角形的頂點(diǎn)環(huán)繞折疊。一些天線呈L型，一些呈矩形，還有一些根據(jù)特定設(shè)備的內(nèi)部空間定制。

對(duì)于超高性能的天線，我們使用更精準(zhǔn)的制造方法——激光直接成型。用這種方法，我們能夠創(chuàng)造出更復(fù)雜的塑性模型，并直接在其結(jié)構(gòu)上構(gòu)建天線。這一技術(shù)先是注塑成型一個(gè)部件，該部件由摻雜絕緣金屬的塑料制成。然后用激光在塑料上繪出電路圖形。金屬添加劑使激光照射過的區(qū)域變粗糙。對(duì)材料進(jìn)行無(wú)電極電鍍時(shí)，粗糙區(qū)域?qū)?huì)填充銅或其他導(dǎo)電金屬。

由于人們對(duì)移動(dòng)設(shè)備天線的要求只會(huì)越來(lái)越高，我們認(rèn)為這種天線設(shè)計(jì)方法是未來(lái)天線發(fā)展的方向。

數(shù)據(jù)傳輸速度將會(huì)提升。當(dāng)前的4G技術(shù)通常能夠達(dá)到每秒100兆字節(jié)（MB），而5G預(yù)計(jì)將達(dá)到每秒1~10千兆字節(jié)（GB）。這就需要增加帶寬；有人說(shuō)帶寬將增加到2 GHz。頻率也在提升，5G頻率將是28 GHz和70 GHz。

由于5G所需頻率很高，移動(dòng)設(shè)備將使用類似天線陣列來(lái)獲得相應(yīng)的性能，然后通過相移來(lái)調(diào)整信號(hào)，將其組合成一個(gè)擁有所需強(qiáng)度的信號(hào)?？紤]到手機(jī)還必須具備全套的傳統(tǒng)天線，至少在不久的將來(lái)，移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部空間的激烈爭(zhēng)奪將使集成天線成為必需品。

我們公司將使用這些技術(shù)制造的首批商業(yè)天線應(yīng)用在主流制造商的平板電腦和筆記本電腦。

誠(chéng)然，將天線塞入手機(jī)中相當(dāng)棘手。但將多個(gè)天線排布到普通物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的狹小空間中更是困難重重。然而，商業(yè)實(shí)例表明，這些困難即將被克服。我們拭目以待。

作者：胡振華、David Tanner

編輯：黃飛

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