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TechnicalFeature 技术特写

2.0 4.0 • 对芯片天线和母板进行建模
0 Z 0 • 测试带母板的芯片天线
–2.0 Y –4.0 • 用测试数据校验天线模型
–8.0
• 对智能设备里的芯片天线进行建模
–4.0
Total Gain (dBi) –10.0 Total Realized Gain (dBi) –12.0 • 对贴近人体模型的设备进行建模
–6.0
–16.0
这个方法提供了有效的起始设计，
–8.0
–20.0
且消除了很多的未知因素。遵照这个方
–24.0
–12.0
–14.0 X –28.0 法，可以放心地解决安装问题。
–32.0
在本文中，我们采用了一款商用电
–16.0 磁仿真工具FEKO 和其多样的全波求解
12
–18.0 (a)
器来对天线（包括智能设备的包装和外
图2：评估板上Fractus芯片天线的3D辐射 0 壳）进行建模。其有限元法（FEM）能完
增益方向图。由VStar Systems Inc.提供。 330 0 30 美解决天线附近包含复杂的多种电介质材 加速创新
–5 料组合体的问题。通过使用FEM求解器，
0 –10 可以改变接地层以适应整个智能设备并使
–3 Modeled 300 –15 60 之正常工作。仿真中考虑人体模型产生的
–20
|S 11| (dB) –12 Measured 270 –25 90 能量吸收、辐射图失真和天线失谐等需要 基于现场部署的5G概念验证系统
–6
–30
–9
解决的问题。由于添加整个人体模型后
–15 的复杂计算，我们采用FEKO中的源分解
–18 法，即在设备附近用FEM计算近场，再应
2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 240 120 用这部分数据，使用矩量法（MOM）或
Frequency (GHz)
多层快速多极子法（MLFMM）来对整个
图3：评估板上Fractus芯片天线测量和仿 210 150 人体模型进行仿真。
真的|S 11 |频响曲线。 180
(b)
芯片天线建模
Z
0 对于智能手表的设计，我们选
330 0 30
–5 择Fractus Slim Reach Xtend芯片天线
–10 （FR05-S1-N-0-104）。该芯片天线已
300 –15 60
X –20 被设计用于在2.4GHz蓝牙波段工作的无
Y –25 线应用。Slim Reach Xtend提供的芯片
–30
Rubber 天线具有体积小、成本低和易于设计的
Wristband 270 90
优势，避免了对不同谐振频率天线测试
ABS 240 120 Smartwatch
Housing
Z Chip Antenna on Evaluation Board
0
X Y 210 150 –3
180 在下一代无线技术设计的角逐中，研究团队必须依赖平台
图4：加入芯片天线和馈电网络的智能手 (c) –6 175 MHz
表模型。 图5：2.45GHz时智能手表的3D辐射增益方 |S 11| (dB) –9 161 MHz 和工具来提高其生产力。NI软件无线电平台和LabVIEW
向图（a）、φ = 90°切面远场增益方向图 –12 –15.2 dB @ –17 dB @
体积小和机械可行性的优势，分析师预 –16 2.36 GHz 2.61 GHz Communications系统设计软件可帮助领先的研究人员加
测芯片天线从2016年到2020年的全球市 （b）和φ = 0°切面远场增益方向图（c）。 –18
2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 速创新，更快速搭建5G概念验证系统来率先展示新技术。
场将以10%的年复合增长率（CAGR） 系统。它必须能与母板的尺寸和布局、 Frequency (GHz)
8
增长。越来越多的设备趋于采用无线连 电路的复杂度以及外壳的类型相一致 ， (a)
接，智能设备的繁荣也刺激了各芯片厂 且不对设备中的传感器产生任何负面影 访问ni.com/5g，了解更多技术，助您更快速创新。
商的竞争，包括Vishay Intertechnology、 响。最后，对人体而言，不同身体组织
0.7 1 1.4
Antenova Ltd.、Johanson Technology、 的相对介电常数的巨大差异会引起遮挡 0.5 2
11
Mitsubishi Materials和Fractus。 9 和阻抗的改变 ，人体组织损耗大，因 0.3 0.4 3
与所有产品的研发一样，采用芯 此来自天线的电磁能量在人体中很难 0.2 5
片天线的设计提出了在初始电路设计中 传播或辐射到空间，反而大部分会被吸 0.1 10
10
必须要考虑的挑战。回顾在小型设备开 收。 后果便是大部分能量被吸收，辐 1 2 3 5 10
11
发中遇到的挑战：天线尺寸越小，越难 射方向图的失真和天线失谐。 而且损 –0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1.4 –10 china.ni.com/howtobuy
实现良好的阻抗匹配和宽的工作带宽。 耗会阻塞与其它设备的连接或降低天线 –0.2 –5
10 –0.3
因此，其性能依赖于天线的位置和尺 的有效作用范围。 –0.4 –3
7
寸。 另外，数据表列出的是板上芯片的 为应对天线设计所面临的挑战，一 –0.5 –2
–0.7
–1.4
功能信息，任何与母板相关的参量变化 个系统的设计方法如下： 图6：智能手表结构对天线谐振的影响：
都会改变天线的方向图和阻抗。因此任 • 选择一个带评估母板的芯片天线 (a)为|S 11 |曲线随频率的关系，（b）为阻
何芯片天线的整体性能总是依赖于整个 • 单独对芯片天线进行建模 抗曲线与频率的关系。
38 Microwave Journal China 微波杂志 Sep/Oct 2017 ©2017 National Instruments。版权所有。LabVIEW、National Instruments、NI、ni.com和USRP均是National Instruments公司的商标。此处提及的其它产品及公司名称均为其各自公司的商标或商业名称。
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