贴片天线(例如 Pulse Electronics 的 W6112B0100)可支持包括智能电表、远程监测和物联网设计在内的 2 x 2 多路输入、多路输出 (MIMO) LTE 应用。尽管该天线的尺寸大于芯片天线(约为 8.8 英寸长 × 0.8 英寸高),但根据所支持的具体频带,其效率可达 55% 至 75%(图 5)。
图 4:贴片天线(例如 Pulse Electronics 的多频带 W6112B0100)并非贴装在 PC 板上,而是连接到产品外壳的内部,远离板和电路。
图 5:适用于 2 x 2 MIMO 4G/LTE 的 W6112B0100 设计为在 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 等多个频带工作,并能保持较高的效率。
第三种天线选择是 PC 板印制线方法,该方法使用 PC 板的一个或多个蚀刻层来创建天线。此解决方案没有直接的 BOM 成本,并且极度灵活,因为它能用于创建使用分立元器件无法实现的定制或独特天线。单一的印制线天线可以覆盖包括滤波在内的多个频带,并且支持多极化。
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 Ω 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。
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”。