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天线设计变化

现代电子产品严重依赖天线,但公司仍会犯错。这种情况即将改变。

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苹果公司的iPhone 4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。把一个放在错误的地方,一个看似微不足道的部件可以把一个很酷的新产品变成一个公关噩梦。

自从天线下降以来,大多数消费者都不会给他们第二次思考。在20世纪60年代,几乎每个家都有一个屋顶天线。快进到现在,大多数设备通过电缆或无线连接。天线仍然存在,但它们不再可见。它们甚至比以前更重要,而且设计更加复杂。

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图1所示。屋顶天线曾经是这里的主流。

“这是一个非常复杂的问题。汽车,明确,是由天线放置,选择,管理视角的任何无线接触的最复杂系统,“赛普拉斯半导体汽车无线技术的Richard Barrett”的高级产品营销工程师。“我无法想到任何甚至将如何接近汽车的复杂性,外面的行业,外面是航空航天或军队。由于您在消费者行业中拥有的许多型号,汽车更复杂。“

他说,工程师必须首先了解自己的局限性,以及为了找到最佳解决方案,他们需要做些什么。他说:“我们已经具备了一些基本原理,还有许多电子设备都被装进了一辆汽车中,因此汽车中的无线电将发生巨大变化。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,这对它本身是一个巨大的挑战。此外,无论是车顶、后视镜、信息娱乐系统内部还是发动机舱内部,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。”

放置是天线的关键,并且最好的位置通常是在性能上影响最小的影响。

“理想情况下,天线放置在预期的操作环境中,应该像它们在孤立设计时一样——周围没有任何东西,”该公司的高频产品经理肖恩·卡彭特说ansys.。“然而,现实是对综合产品规模的愿望减少,令人愉悦的消费者的美学,以及用于隔离集成天线的简单缺乏房地产导致天线性能的妥协。”

这种性能影响通常来自产品,平台或车辆的其他部分耦合到安装到天线的其他部分。平台特性,如有限的地面平面,电池,弯曲表面,材料涂料和涂料,以及支撑结构可以从天线之间耦合意外能量,并改变其辐射和/或接受功率的方式。结果,天线设计需要将天线的放置效应分解为其基本设计,补偿环境引起的潜在性能。

天线的最佳位置也取决于天线的用途,Carpenter说。“在某些情况下,安装天线的产品、平台或车辆的方位会随着时间的变化而变化,所以我们要求天线尽可能均匀地向各个方向辐射和接收。”

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图2:天线中的辐射增益经常偏离理想的各向同性行为。资料来源:赛普拉斯。

考虑一块集成到手机中的天线。手机的方向可能不断变化,手机需要与最近的Cell Tower继续接触。If the mobile phone’s antenna has weak gain in the direction of the cell tower, then the weakness in that link has to be made up by using more transmit power, or by increasing the sensitivity of the receiver, which lead in turn to reduced battery life.

然后,对于全向天线,天线应该放置在其辐射图案的辐射图案将尽可能不受干扰的位置,这通常意味着将其放置在尽可能远离其他导体。这与频繁要求进行计数器,即整个产品(包含天线)尽可能小。面临这些挑战的设计者通常将天线纳入这样的产品的边缘或一侧,并尝试预测近场耦合(天线耦合放置效应)在整个天线设计中的产品或车辆的其他部分的影响他观察到。

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图3:一个设备中有多个天线。来源:ANSYS。

“其他天线在本质上是定向的——它们的目的是可靠地将能量集中到一个特定的方向。这种天线对与附近结构的耦合相当敏感,这反过来会降低天线在特定方向集中能量的能力。如果天线的方向性降低,那么就需要更多的发射功率来克服链路增益的损失,并且接收机对来自非预期方向的信号会有更高的敏感性。定向天线的正确位置长期以来一直是天线系统工程师关心的问题,因为环境对射频系统的整体性能有影响,”Carpenter说。

系统级视角

A further mitigating complexity with automotive that isn’t seen elsewhere is that the core design team at the automotive OEM that’s developing a solution can design essentially the core electronics, the core box that has the radios (WiFi, Bluetooth, LTE), and can give some recommendations on how antennas should be placed, and implemented.

巴雷特说:“但最终,他们不一定能控制这些因素,因为这些因素会影响到汽车模型。”“举一个极端的例子,让我们以通用汽车公司为例。由通用汽车公司核心工程团队开发的完全相同的系统可能部署在雪佛兰Volt或凯迪拉克凯雷德ESV上。它的物理性质有很大的不同。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,或者盒子的位置会是什么,以及他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,手机设计师就知道它的设计和用途。但汽车的变化如此之大,而所有对任何电子产品来说都很丑陋的东西——尤其是无线,无论是环境或射频辐射,还是金属屏蔽——所有妨碍它的东西都是复合的。”

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图4:混合信号。来源:ANSYS。

进一步复杂化问题是,天线和其他设备之间的冲突可能会发生冲突或正在发送或接收。

“你几乎可以保证有冲突,”迈克尔汤普森,高级解决方案建筑师韵律。“至少当我设计汽车时,我可以考虑到这一点,因为我知道我要把天线放在哪里,而且由于法拉第笼,汽车内部会发生一些独特的事情。根据天线是在车的内部还是外部,以及汽车周围是否有耦合,所有这些都可以建模,以确保没有耦合,或至少最小化或过滤它。”

汤普森说,未来更大的问题将是,每个人的车里都开始有多个雷达。“我们怎么知道你接收到的信号是你向雷达发送的信号,或其他信号,而不是别人的汽车?”干扰是另一种类型的问题,但它显然可以发生。这是一个完全不同的市场,但电子战都是基于发出信号来欺骗/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实现,但天线不能分辨出什么是好信号,什么是坏信号。它只知道它以特定的频率,从特定的区域接收能量。它吸收能量,并将其传递到接收器。”

为了解决这些问题,芯片制造商可以做的最好的是提供建议。“如果你在金属盒子里,你必须在盒子里剪一个插槽,所以RF有一些地方进入,”巴雷特说。“它必须能够看到外面。如果您可以在外面的电缆到外部天线,这是一个很好的主意。“

然后就是天线设计要花多少钱的问题。

“每个人都希望能够使用廉价的倒置的F印刷电路板天线来做世界上的一切,但这只是从事事物的成本方面,”他说。“从工程方面,你喜欢拥有漂亮的偶极天线,直到最佳的位置,结束机舱使用,面向消费者。对于外部车辆,您希望面临在汽车外面的正确方向。那些是两个极端。现实世界在中间的某个地方。“

考虑因素很多,由不同车型的复杂性以及用例的复杂性所驱动。有些系统主要面向汽车外部(比如LTE调制解调器),但WiFi和蓝牙可以面向汽车内部和外部。

“你是否优化乘客?您是否优化连接到外部接入点?您是否尝试拥有混合方法,当您到达工程权衡时意味着没有任何优化?这是您在市场上看到的巨大挑战,“Barrett指出。“To try to address this, there are more cabled systems [available commercially], because at least if you cable out to an antenna then you’ve got some control over where that antenna sits relative to, say, passengers or external to the car. Although you can’t control the length of the cable many times, and know exactly what the RF is going to look, at least you’ve got a little more control there. You can clear the space between wherever your radio is radiating through its antenna to wherever its trying to radiate, and receive or transmit to/from.”

包括机舱内外和外部注意事项。值得庆幸的是,驾驶室的性能并不至关重要。天线通常彼此靠近,因此标准的WiFi和蓝牙技术可能不应该过于敏感或发射太高,因为它可以保持本地化。

“但是,有很多应用程序现在还需要连接在车外,是否为LTE调制解调器连接到一个无线接入点,你想卸载WiFi,越快你可以连接到外部WiFi你在缓慢移动的交通,将会有更多的时间在访问点住。信号越强,从接收器灵敏度或发射功率输出的角度来看,链路预算就越好,你就能在盒子上维持更长的连接时间。”

空中升级是另一个可能影响的区域。对于这些,车辆可以坐在车库中,并且房子里的媒体服务器正在自动下载到车辆以升级软件,就像智能​​手机一样。由于尺寸不同的房屋,并且根据施工方法,也必须考虑RF环境,因此将天线放置用于外部应用,并最大限度地提高链路预算至关重要。这一切都归结为可以在射频中控制的可预测性,车辆看起来像什么,以及在体面的天线上花钱的意愿。

算法,技术
然后,在分析系统方面,汤普森表示,存在许多存在的技术。“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施它们,以便它们更好地运行,但许多技术已经存在多年。他们做得很好,但你必须能够非常准确地描述你将在模拟器上运作的物理现实,并且通常成为问题的一部分。“

汤普森解释说,创造这种描述的最佳方式,就像天线设计本身一样,取决于所分析的内容。他说:“例如,如果我看辐射问题,不仅从真正的天线,而且从电路-电磁干扰/EMC -这些类型的问题产生的事实,电路是辐射。如果你设计一个特定频率的天线,它在那个频率上工作得很好,仅仅因为它是在那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Method of Moment这样的技术,运行得更快,也更有能力,所以你应该为设计师提供一些类似的工具。与此同时,你可能会考虑键合线,连接器,3D效果,所以更适合采用有限元法;能够处理多种电磁技术的环境才是设计师真正需要的。”

ANSYS、CST、Antenna Magnus和Mathworks等都提供了这方面的工具。Cadence表示,它正在与主要合作伙伴研究这一领域。Cadence、Mentor Graphics、Synopsys和其他EDA提供商的工具已经在天线设计的仿真中使用了一段时间。

结论
天线设计今天仍然是黑人艺术,但这即将改变它在物联网和汽车竞技场中的作用。未来的设计方法将借鉴许多来源的设计知识,而不仅仅是设计团队的经验。数据点集合将找到用于为每个独特情况设计,验证和优化天线的任何工具的方式。需求正在上升以及天线设计的复杂性,并且在这个空间中的变化即将到来。

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2评论

gerwingr 说:

总结的“结论”是相当模糊的,这是一个更新的软件,给出了使用频率的现场指标。非常严格的。它马上就会为你工作。你仍然需要好的机械工具,来弯曲和塑造零件,甚至打印零件。相当令人兴奋和严格,物理已经被测量和知道,在相当长的一段时间,它现在所有的应用,成本和性能。还有美学,好文章,我喜欢这个。

安Steffora Mutschler 说:

谢谢您的意见。这是一个非常广泛的主题领域,因此,我只能在这篇特定的文章中覆盖一点。在汽车空间中,您可以确保在不久的将来更详细地覆盖这一点,这是如此激动人心的时期。

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