中心議題：
- 介紹天線新型屏蔽材料、人工磁導體
- 概述多天線集成能力并得出結論
解決方案：
- 采用CMOS數字無線電技術和可配置無線電技術是將來最終的解決方案
- 在天線設計的過程中綜合考慮EMI屏蔽和熱管理問題
- 利用IMD技術把蜂窩電話、移動電視接收機、GPS、藍牙、WiFi和WiMAX的多種天線集成在一起
隨著多種無線技術標準在便攜無線設備中走向融合，客觀上要求在便攜式無線設備中集成更多的天線，因此，對于電子系統設計工程師和技術管理人員來說，掌握天線技術發展的趨勢，了解它對電子設計、制造和測試的潛在影響有著重要的現實意義。
隨著多種無線技術標準在便攜無線設備中獲得應用，客觀上要求便攜式無線設備以有成本效益的方式支持多個頻段以及多種不同的調制方式。業內專家認為[1]，目前多種無線標準在便攜式無線設備中的聚合將遵循入門級、中檔和高檔三種技術方案(圖1)，采用CMOS數字無線電技術和可配置無線電技術是將來最終的解決方案。
圖1 多種無線標準在便攜式無線設備中的聚合方案
圖片來源：ST公司
iSuppli的專家認為，提高RF部分的集成度將成為發展的關鍵。天線作為無線系統設計的一個關鍵組成部分，它的最新發展趨勢無疑對電子系統設計將產生深刻的影響，本文試圖說明，一些新興的技術趨勢有可能顛覆傳統的天線設計方式、方法和流程。
新型屏蔽材料—顛覆傳統的天線設計流程
萊爾德科技公司(Laird Technology)是無線天線、電磁(EMI)屏蔽材料、汽車天線和熱管理解決方案等領域的設計公司和制造商。該公司的專家認為，在把天線設計到系統之中的過程中，最為重要的問題之一是解決對電磁干擾(EMI)的屏蔽問題，如圖2所示紅色部分的設計均與電磁干擾的屏蔽有關。
圖2 隨著天線的增加，EMI屏蔽問題的重要性與日俱增
圖片來源：LairdTech公司
以手機為例，這包括三個主要的方面：
萊爾德科技公司針對上述三個方面的問題提出了獨特的解決思路，即在天線設計的過程中綜合考慮EMI屏蔽和熱管理問題。例如，最近該公司推出的散熱型電路板屏蔽產品T-BLS系列產品就結合電磁干擾防護和熱管理技術。該全球產品總監 Steve Ulm就表示，隨著各種應用系統使用了更多的功率元件以及封裝密度的不斷提高，先進的冷卻技術變得更加重要，為此，需要用獨特的方法把熱界面材料和屏蔽產品結合起來，滿足電路板對屏蔽和熱管理的要求。據稱，T-BLS系列產品使用了萊爾德科技的T-flex 600系列導熱填隙材料。
除了把熱界面材料和屏蔽產品結合起來之外，近來國際上出現了利用有機屏蔽材料(OSM)來抑制電磁波干擾的發展趨勢。這種采用富勒烯形式的純有機材料在特殊變性處理后形成導電的塑料，在特殊的電磁波屏蔽方面—尤其在高頻、微波頻段—具有吸收和屏蔽作用，因此，正在保形天線設計中獲得日益廣泛的應用。
在材料的研究和應用方面，一些發達國家，特別是美國、英國、日本，進行了大量的有關電磁屏蔽材料的理論和應用的研究，已經形成了生產各種類別和系列規格的電磁屏蔽材料產業。目前，已有單層Ag及Ag包覆層的涂料、Ni涂料、Cu涂料，Ni-P合金鍍層及Al濺射層，泡沫金屬，各種襯墊、導電膠、屏蔽窗以及各種金屬纖維(或粉末)或碳黑和磁性鐵氧體粉填充塑料等系列電磁屏蔽材料產品。其中，以涂料為主導產品，其屏蔽效能達到40dB以上。
目前，國外的發展趨勢是開發多組元整體或多層復合屏蔽材料。隨著便攜無線設備的普及應用，基于新型電磁屏蔽材料所開發的一系列板材及產品的市場有望高速成長。
人工磁導體(AMC)—孕育天線設計技術革命
在軟件無線電技術中要采用直接變頻技術，它的三個關鍵技術是天線、基帶處理和RF下行變換技術。在直接變頻方案中，接收和發射機彼此之間非常敏感，因此，對隔離度要求很高。
為此，美國的若干企業研究了一種基于磁場隔離和RF MEMS的天線可重配置技術，其核心技術是一種采用MEMS技術制造的人工磁導體AMC(artifical magnetic conductor)，其特點在于磁場在導體的邊界為零，因而，很容易將線天線直接做在AMC表面的頂層，從而在獲得高效輻射的同時使天線和電路板、手機和用戶頭部及手臂之間的隔離度非常高。
此外，高隔離度的最重大意義在于：在用AMC制成的接地板上能將兩付線天線背靠背安裝在非常小的空間內，彼此之間幾乎不存在干擾，從而有可能將收發天線單獨制作并放在一個器件之內并消除收發天線之間的相互干擾，收發天線的匹配也更為容易。此外，開關到前端之間的多工器、濾波器等也因實現了收發天線的相互獨立工作而可以省略。 結合相應的自動調諧電路，可配置天線技術可以實現很寬的工作頻率。
例如，Thomson硅器件公司就展示了這么一種直接嵌入到PCB夾層中的天線，電子線路部分則做在同一塊電路板上。據其技術人員表示，其中，就集成了兩副不同頻率的天線。由此可見，天線設計領域已經悄然發生的變化。
除此之外，傳統的天線設計過程中，設計工程師必須等待電子系統內部的其它元件位置固定下來，才能開展天線設計。據報道，基于AMC技術的天線具有控制RF信號傳播路徑的獨特能力，因而，允許電子系統設計人員根據產品的大小、外形和內部元件進行定制天線設計。正如e-tenna公司的專家所表示，這是天線設計中的真正突破所在。
AMC技術近兩年來受到越來越多的關注，國外企業已經在相關設計、制造和測試技術上展開了專利布局。另外，從半導體廠家提供的MIMO(多輸入多輸出)收發器來看，RF前端的電路部分正在走向成熟，因此，將為嵌入式可重配置天線技術的應用提供廣闊的發展空間，基于人工磁導體(AMC)的天線設計有望成為重要的設計趨勢，并將對整個電子設計、制造和測試行業產生重要的影響。
多天線集成能力—天線設計領域的顛覆性變化
如圖3所示是未來兩年多種無線技術標準在手機上聚合的概念圖，從圖中可見聚合的發展方向很多，這種多樣化應用的需求對多天線集成設計提出了要求。
圖3 未來便攜無線設備將是多種技術融合的平臺
在此，值得關注的是Ethertronics公司的獨特的隔離磁偶極子天線(Isolated Magnetic Dipole, IMD)。據該公司市場營銷副總裁Rick Segil介紹，利用其創新的IMD技術，系統制造商能夠把越來越多的功能集成到它們的設備之中，并持續縮小整個手機和其它便攜無線設備的外形尺寸。
采用IMD技術設計的天線的主要特色在于：
*限制天線單元上的電流；
*優化天線的隔離以提供更多的天線集成能力；
*以更緊湊的形狀因子實現最小化SAR(輻射吸收率)；
*容許RF工程師獨立地調節天線和天線的饋線；
據該公司介紹，利用IMD技術可以把蜂窩電話、移動電視接收機、GPS、藍牙、WiFi和WiMAX的多種天線都可以集成在一起，從而為便攜無線設備提供更為強大的功能，這毫無疑問是便攜無線設備天線設計領域最具有顛覆性意義的趨勢。
圖4 IMD天線與傳統的PiFA的比較
Rick Segil表示，今后天線設計的發展趨勢是“5個頻段(850/900/1800/1900/2100)的集成構成主蜂窩電話天線，并結合多個二級天線，包括GPS和藍牙天線等等。”他強調說， Ethertronics公司的IMD技術與其它技術的差異在于：具有更好的選擇性和較高的隔離性能，能夠降低整體的耦合效應。
結語
隨著多種天線在便攜無線設備上的聚合可見，傳統的“各自為政”式的天線設計方法將難以適應發展的需要。在多天線便攜無線設備的設計中，天線設計、電磁屏蔽和熱管理的協同設計將對過去的設計方法和流程產生沖擊，值得設計行業關注。隨著新材料和天線設計新技術的發展，多天線集成能力將為電子系統制造商進行設計創新提供更多的選擇。
需要注意的是：隨著多天線集成技術的發展，天線設計將比以往任何時候都要復雜，需要從事信號處理與天線設計的企業開展合作，才能發揮多天線集成所帶來的好處，例如，TI與ArrayComm攜手開發無線局端應用的智能天線技術，標志著多種天線聚合起來之后，最為關鍵的是信號處理，它對于提高網絡覆蓋的質量有著舉足輕重的作用，與此同時，也將對整個設計鏈產生深遠的影響和變革。
