新疆25选7技巧:为何说设计成败至关重要是建模和仿真

Duke ? 2018-07-10 09:27 ? 次阅读

新疆25选7走势 www.ve66b.cn 智能手机和可穿戴电子设备等手持和便携式无线产品依赖可置入设备的微型芯片、贴片和印制线天线。尽管这些小型器件解决了在小尺寸系统中携带多频带天线阵列的问题,但它们也引入了辐射效率下降、阻抗匹配以及与附近物体和人体的交互等相关问题。

为解决这些问题,设计人员开始采用新的设计和电路方法,让这些天线不只成为一个独立的元器件,而是成为能够化解上述诸多设计挑战的动态天线子系统的一部分。这一设计转变需要进行大量仿真和分析,而不断改进的场解算器软件可以满足这一需求。

芯片、贴片天线提供了折衷之选

从传统的外部鞭形或短截天线过渡至芯片和贴片天线的原因很多,首当其冲的是外部天线存在的美观性和易折性问题。从性能的角度而言,智能手机等设备在给定的频带往往需要多个天线才能提供天线分集,进而改善性能。此外,多频带设备(尤其是与新兴的 5G 标准兼容的设备)在其必须支持的每个频带,都需要单独的独立式天线。尽管有这么多原因,但芯片和贴片天线也有自身的短板。

芯片天线使用多层陶瓷结构构成在目标频率谐振的元器件(图 1)。与其他所有表面贴装元器件一样,它们的尺寸很小,可以轻松地贴装在 PC 板上。

Johanson Technology 2450AT18B100E 图片

图 1:没有体积小、成本低且易于应用的陶瓷芯片天线,许多便携式无线设备将无从实现。图中显示的是 Johanson Technology 2450AT18B100E,位于广泛使用的 2.4 至 2.5 GHz 频段的中间位置。(图片来源:Johanson Technology)

我们用两个例子来说明它们的特性。Johanson Technology 2450AT18B100E 是适用于 2.4 至 2.5 千兆赫 (GHz) 频段的 1.6 x 3.2 mm 芯片天线,尽管它的体积很小,却能提供近乎全向的辐射模式,而无需考虑方向(图 2)。类似这样的天线在便携式和手持无线设备中已得到广泛的成功应用。尽管芯片天线自身很简单,但设计人员必须将相关的驱动器电路与其 50 ? 标准阻抗相匹配。当在分集架构中使用多个芯片天线时,这可能成为一大难题。

Johanson 的图片描述了芯片天线在全部三个轴上的辐射模式

图 2:Johanson 描述了芯片天线在全部三个轴(自上而下分别为:a) XY、b) XZ 和 c) YZ)上的辐射模式;请注意,该模式在所有三个轴上近乎全向。(图片来源:Johanson Technology)

另一款芯片天线是 Taiyo Yuden AF216M245001-T,用于仿真同样适合 2.4 至 2.5 GHz 频带的单极螺旋形天线。该天线的尺寸为 2.5 x 1.6 mm,同样具有近乎全向的特征,并且可在 2.45 GHz 至 2.7 GHz 频带保持低于 2:1 的 VSWR(图 3)。

Taiyo Yuden 的 AF216M245001-T 芯片天线示意图

图 3:Taiyo Yuden 的 AF216M245001-T 芯片天线可在其主要工作带宽 2.45 GHz 至 2.7 GHz 范围内保持 2:1 的 VSWR。(图片来源:Taiyo Yuden)

由于芯片天线具有成本低、体积小和易于使用等特点,它们看起来是可满足众多无线需求的最优解决方案。尽管很多情况下的确如此,但在现实中,与所有元器件一样,芯片天线也有自己的短板。在此案例中,它们的典型效率相对较低,仅为 40% 至 50%,而且容易受周边的固定和变化条件影响,包括 PC 板布局、附近的元器件和用户等。

芯片天线的替代产品是贴片天线(图 4)。尽管它的尺寸比芯片设计要大,但相当扁平,因此往往能够沿产品外壳的内侧放置,远离元器件和其他辐射模式失真源。

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)。

Pulse Electronics 的 W6112B0100 贴片天线图片

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。(图片来源:Pulse Electronics)

适用于 2 x 2 MIMO 4G/LTE 的 Pulse W6112B0100 图片

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。(图片来源:Pulse Electronics)

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?;缈睾苡行?,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 ? 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。

Peregrine Semiconductor 的 PE42422MLAA-Z 纯电子射频 SPDT 开关示意图

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。(图片来源:Peregrine Semiconductor)

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??梢远哉庑┰氐男в薪?,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”。

但对于紧凑的便携式和手持设备,问题要复杂得多,因为天线的周边环境一直在变化。用户在使用时可能朝不同的方向或靠近身体的不同部位(手腕、头部或躯干)握持产品,或将产品放在其他物体的附近。因此,天线处于次优环境中,在此环境中,天线的有效阻抗和共振频率会发生变化并导致性能下降。

当天线的共振频率发生偏移时,其呈现给无线电前端剩余部分的阻抗也会偏离初始值,造成阻抗失配。阻抗失配会产生三种效应。更多的能量从天线端子反射回来,而不是通过这些端子;由于负载牵引的原因,来自功率放大器 (PA) 的输出功率下降;以及天线的辐射效率由于容性负载而降低。

过去几十年里,天线面临的这一处境导致射频链路预算不断下降,从而影响了产品的性能。由于网络和系统级性能的提升,这一性能降级没有引起用户的注意。更多的蜂窝基站、蜂窝基站天线波束形成的使用以及改进的误差校正技术,在很大程度上对其进行了补偿。由于系统级需求和用户需求不断提高,尤其对于新兴的 5G 标准,这类补偿可能已经“入不敷出”了。

与此情形相关的损耗模式有三种:吸收损耗、阻抗失配损耗和天线辐射效率损耗。吸收损耗可能高达 8 到 10 dB,并且目前为止我们对此无能为力。阻抗失配损耗约为 1 到 2 dB,而天线辐射效率损耗约为 2 到 3 dB??赏ü街址椒ɡ疵植棺杩故浜头湫仕鸷模焊奶煜叩钠ヅ涞缏泛透奶煜叩男痴?。

无线设备供应商在其最新一代的设备中已经解决了该问题。动态调谐可以补偿导致天线共振频率发生偏移的头部和手部效应。这是通过使用闭环调谐周期减少天线与功率放大器 (PA) 之间的失配以优化功率传输来实现的(图 7)。

闭环调谐示意图

图 7:闭环调谐用于动态修改阻抗匹配网络以实现最优性能及减少损耗。(图片来源:Antennasonline.com)

在闭环调谐中,将会实时检测不可避免的反射系数变化。方法是通过定向耦合器同时监测天线端子上的正向功率和反射功率的幅度和相位(参见“微型定向耦合器可满足紧凑型射频应用的需求”)。然后,系统将合成一个用于调整位于天线馈电点的匹配网络的复数共轭,以增强前端与天线之间的射频功率传输。这可以将损耗减少多达 1 到 3 dB。

这种闭环调谐方法尽管很有用,但也存在几点不足。测量反射系数的幅度和相位,然后确定共轭匹配,这需要大量的计算周期和时间,或者需要使用查询表。查询表的速度较快,但精度较低。为实施复杂的匹配,需要采用复杂的匹配电路。使用此方法实现的性能提升通常为 1 到 3 dB。

闭环调谐的替代方法是孔调谐,该方法通常与阻抗匹配搭配使用。这种情况下,将以电气方法更改天线尺寸(调谐状态),将其谐振恢复到最大功率传输点,而不是调整匹配网络以适应天线阻抗变化(图 8)。这需要大量小间距的调谐状态。

经过孔调谐的天线示意图

图 8.经过孔调谐的天线会动态调整天线的谐振长度以最大限度减少损耗。(图片来源:Antennasonline.com)

这种情况下,与闭环调谐一样,将在天线的馈电端子处测量反射系数。接着,使用其中的一种方法执行此测量,确定最佳的新调谐状态。其中三种方法为标量方法,只需使用简单的定向耦合器监测天线端子处的反射功率幅度,然后应用不同的计算方法(被称为平方拟合、阈值调整或凹点检测)。

第四种方法基于矢量,并使用反射系数的幅度和相位来确定天线结构的 S 参数矩阵解,然后确定恢复天线的共振频率所需的调谐器设置。通??杉跎?2 到 4 dB 的损耗。与阻抗匹配结合使用,总体改进范围为 3 到 7 dB。

对设计成败至关重要的建模和仿真

对于标准鞭形设计等外部天线,在设计周期的早期只有极少甚至不进行任何性能建模。但对于芯片、PC 板印制线天线,甚至对于非??拷驮肷糯笃骰蚬β史糯笃鞯奶煜叨?,天线仿真及其实现都至关重要。不可能仅通过构建、测试、修改、重复和迭代就能找到合适的配置。不仅必须对天线进行建模,还必须对整个周边环境(PC 板、元器件、外壳甚至用户的手或头部位置)进行建模和分析。

所幸的是,已经有很多先进的电磁场解算器应用程序包能够解决仿真问题。为其提供支持的是功能强大的 PC 或基于云的计算平台,它们能够运行这些场解算器执行分析所需的海量计算。这些场解算器还能通过最小值/最大值试验或跨多个变量的蒙特卡罗运行,来分析设计容差的影响。它们可以显示在 GHz 频率下即便几分之一毫米的变化也能产生重大影响,实施“假设”分析以研究可能的设计变更产生的影响,以及突显设计的不足或意外的特征。

总结

尽管天线的功能很简单,但它是将电路中的电功率转换为电磁场以及执行反向转换的复杂电磁传感器。传统的单元件天线(例如偶极和鞭形天线)现已增强为使用多层陶瓷、扁平贴片结构甚至产品自身的 PC 板的一个或多个天线。

将这些天线结合到紧凑型(通常为便携式)产品,需要仔细分析整个系统和封装,验证天线的理想化性能未受到过大的影响,并且能够达成设计目标。利用场解算器软件可以做到这一点,这类软件能够为实际安装中的电磁场和天线性能的详细建模及相关计算提供有力的支持。

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华为Nova系列诞生于2016年,该系列聚焦年轻消费群体,主打线下市场,很多人认为华为想凭借该系列手....

发表于 12-14 14:11 ? 317次 阅读
华为Nova 4配置曝光 依旧搭载麒麟970处理器

份额连跌三星天津厂月底关闭,创新会是手机行业现阶段的救命绳吗?

其实早在2018年6月,vivo就推出了屏占比高达91.24%的零界无边款vivo NEX系列全面屏....

的头像 DIGITIMES 发表于 12-14 14:05 ? 1196次 阅读
份额连跌三星天津厂月底关闭,创新会是手机行业现阶段的救命绳吗?

智能手机速度测试 iPhone XS Max是目前运行速度最快的手机

外媒 Phone Buff 对旗舰手机进行了“PhoneBuffStyle”速度测试,测试机型包括安....

发表于 12-14 13:56 ? 105次 阅读
智能手机速度测试 iPhone XS Max是目前运行速度最快的手机

电池供电型设计,电源管理如何超出节能本身

低功耗运行在平衡这些不同需求方面仍然至关重要。 但对可穿戴设计而言,单个低功耗设备的功能和性能很少成为快速开发这些产品的主...

发表于 12-10 09:39 ? 486次 阅读
电池供电型设计,电源管理如何超出节能本身

方案大揭秘,第五届中国IoT大会之智能可穿戴分论坛演讲资料分享

演讲PPT分享 一年一度的物联网大会结束了,今年是我们举办的第五届物联网大会,明年会更精彩,下面将可穿戴分论坛大咖们...

发表于 12-07 16:19 ? 358次 阅读
方案大揭秘,第五届中国IoT大会之智能可穿戴分论坛演讲资料分享

可实现无线充电的可穿戴设备可扩展电源管理解决方案

描述           可穿戴设备需要高级电源管理在实现??焦δ艿那榭鱿率沟绯卦诵薪铣さ氖奔?。此...

发表于 12-07 11:52 ? 237次 阅读
可实现无线充电的可穿戴设备可扩展电源管理解决方案

适合低功耗可穿戴设备的无线充电器含PCB文件

描述           TI 的 TIDA-00318 设计适合低功耗可穿戴设备,包括符合 Qi 标准的无线接...

发表于 12-04 14:12 ? 154次 阅读
适合低功耗可穿戴设备的无线充电器含PCB文件

使用无线电源以提高便利性的可穿戴设备

  可穿戴设备正迅速崛起为一个重要市场领域的电子设备。这些设备的一个关键要求是方便,不只是在访问数据的移动,但要确保它有...

发表于 11-30 17:17 ? 103次 阅读
使用无线电源以提高便利性的可穿戴设备

快速充电技术在智能手机的应用

  这两年来,新一代的智能手机尺寸越来越大,屏幕的分辨率越来越高,移动应用处理器(AP)运算速度也要求越来越快,这些变化...

发表于 11-21 16:39 ? 182次 阅读
快速充电技术在智能手机的应用

物联网和可穿戴设备对健康的影响

连网设备,内置传感器及其收集的数据使个人能够以更低的风险独立生活。 许多老年人表示希望随着年龄的增长尽可能长时间呆在家...

发表于 11-20 06:45 ? 265次 阅读
物联网和可穿戴设备对健康的影响

怎么把EZ-Serial连接到智能手机

是否有一个简单的示例项目,我可以给我们的应用程序开发人员以SPP模式传输数据与实际的EZ串行软件到和从智能手机与IOS和...

发表于 11-19 11:20 ? 125次 阅读
怎么把EZ-Serial连接到智能手机

智能服装拯救可穿戴设备“冷市场”?

如今我们谈到可智能装备,大部分人的脑海里出现的可能是智能眼镜、智能手表、智能手环等外戴装备??纱┐魇缴璞敢恢北蝗衔罹哂?..

发表于 11-19 09:49 ? 194次 阅读
智能服装拯救可穿戴设备“冷市场”?

设计一款狗狗可穿戴设备

随着生活水平的提高,现代人养猫猫狗狗的心态已经很10年前不一样了,宠物已经是家庭一员,但是与此同时宠物行业还有很多需要待完...

发表于 11-14 17:20 ? 329次 阅读
设计一款狗狗可穿戴设备
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  • 从朝美的对话和双方表现的诚意来看,形势正向好的方向发展。这应了中国那句解铃还需系铃人的老话,只有当事国之间的直接对话才能真正解决问题,其它都是弯路。 2018-12-16
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