在讨论超高频(UHF)和微波天线时，有必要了解一下它们的基本特性以及工程师在试图将其小型化时所面临的技术障碍，尤其是对于多频段、物联网(IoT)应用而言。
超高频天线的工作频率在300MHz至3GHz之间，波长范围为1m至10cm。常见的天线类型包括鞭状天线、套筒偶极子天线和平面倒F天线(PIFA)。虽然许多无线物联网设备的工作频率都低于3GHz，但有些可能需要与5GHz Wi-Fi或毫米波5G网络兼容，因而将它们带入微波频谱。
当我们开始讨论如何让物联网天线变得更小的时候，我们会遇到一些有趣的挑战。一个主要问题就是效率的降低，当我们缩小天线时，可能会增加损耗，从而降低信号传输和接收的性能，影响覆盖范围和电池寿命。尺寸的缩小通常还会缩小带宽，从而限制天线可以有效工作的频率范围。
尺寸和工作频率范围之间需要权衡。实现发射器和接收器的正确匹配对于防止信号反射至关重要，因为信号反射会引起驻波，驻波可能会损坏发射器功率放大器。由于失配损耗，还会导致有效辐射功率(ERP)和接收信号强度的降低。随着天线尺寸的减小，阻抗匹配会变得更加困难。
如果考虑到这些微型天线需要在多个频段工作，挑战就更加复杂了。采用多种谐振结构或宽带技术来覆盖不同频段，不可避免地会增加天线的复杂性。这就必须进行性能权衡，我们可能不得不牺牲个别频段的效率、增益或带宽，以实现多频段操作。不同频段之间的干扰和天线元件之间的耦合在多频段设计中变得更加突出，如果不加以小心管理，这些因素都会大大降低整体性能。此外，在保持小尺寸的同时容纳多个频段是一项极具挑战性的工作，尤其是当频段相距很远时。
为了应对上述挑战，工程师们正在探索使用超材料和分形几何来突破小型天线的极限，他们还采用先进的匹配网络来提高多个频段的性能。此外，该领域还利用计算电磁学和优化算法在给定的约束条件下找到最佳设计。天线增强器技术，即商业上称为虚拟天线®(Virtual Antenna®)技术，代表了无线设备天线设计的重大突破，特别是对于物联网应用。这种创新方法由Jaume Anguera和Aurora Andújar开发，并于2010年首次在专利申请和学术论文中进行了描述，它解决了为紧凑型设备制造小型、高效和多功能天线的挑战，在过去几年中得到了广泛采用。
图1：转向非谐振天线增强器技术可减小尺寸、成本和复杂性。
该技术的核心是一种小型、非谐振天线组件，被称为“天线增强器”。它们的工作原理如下。
天线增强器并非如其名称所暗示的有源元件，它们是无源表面贴装芯片，尺寸可小至3x2x0.8mm。它们被放置在无线设备的接地平面上，在那里它们能激发和增强辐射模式，并使接地平面成为主要辐射元件。使用带有集总元件的匹配网络来实现所需的频率响应，从而实现单频带或多频带操作。该系统将天线增强器视为阻抗盒，将设计过程从传统的天线几何优化转变为阻抗匹配任务。
设计工程师的工作重点是优化增强器的放置位置和设计合适的匹配网络，频率响应主要由匹配网络而不是增强器元件决定。设计人员可以利用微波电路设计和优化工具来合成匹配网络，这比从头设计天线更简单、更快捷。
图2：匹配网络将无线电与天线增强器耦合。
这种方法提供了更快的设计周期、更大的适应不同频段的灵活性，也更容易集成到紧凑型设备中，并有可能为各种物联网产品提供更标准化的天线解决方案。
天线增强器被其创世公司Ignion称为Virtual Antenna®技术，而该技术已受到物联网行业主要企业的青睐，这主要是因为其通用性——一个天线增强器可以用于多个频段(0.4至10.4GHz)和各种设备尺寸。增强器可以非常小(例如，824MHz时为λ/70)，从而大大节省紧凑型设备的空间。并且它们是现成的表面贴装元件，适用于成熟的拾放工艺，因此很容易集成到批量生产中。
设计人员可以通过调整匹配网络自由地塑造频率响应，而无需改变天线本身，并且与创建复杂的天线几何形状相比，使用匹配网络合成工具可以使设计过程更快、更简单，如图2所示。
图3：上市时间对于许多IoT产品来说至关重要。Virtual Antenna®技术是大幅缩短上市时间的一种方法。
到目前为止，大多数天线增强器产品都提供单无线电或双无线电功能。然而，Ignion最近发布了一款独特的三无线电组件，作为其Virtual Antenna®技术产品组合的扩展。OMNIA mXTEND™专为多无线电应用而设计，将蜂窝、GNSS和Wi-Fi/BLE整合到一个尺寸为44.1x14.6x1.0mm的紧凑型组件中。
该芯片天线组件可同时支持617MHz–960MHz和1710MHz–2690MHz蜂窝、1561MHz至1606MHz GNSS以及2400MHz至2485MHz Wi-Fi/BLE无线电，并且可在400MHz至8000MHz范围内的任何频率下运行。单一天线组件设计中的三重无线电操作简化了与紧凑型IoT设备的集成，减少了总体物料清单，并降低了库存要求，同时与使用三个独立天线相比不会影响性能。
图4：这块三端口评估板左上角显示了用于统一无线电系统的OMNIA。
OMNIA的应用包括资产跟踪和物流、汽车远程信息处理、智能计量和工业物联网。
为了获得最佳性能，需要在设计之初就考虑将天线增强器集成到印刷电路板上。通常，这些组件的最佳位置是电路板接地平面的角落，尤其是对带宽要求最高的地方。当然，如果这不是一个重要的考虑因素，那么位置就不那么关键了。
下一步是设计匹配网络，这一步可以通过行业标准的微波电路仿真器自动完成。工程师不需要精通天线设计，只需要精通射频电路设计即可。
最后一步是测试天线的电压驻波比(VSWR)和效率。VSWR低于3:1通常可以接受，但这个参数不是唯一需要考虑的参数，因为匹配网络内部以及其他元件和材料对信号的吸收可能会造成损耗。
根据OMNIA评估板，全向天线的平均效率在上述所有三个频段均超过55%，在1561–1606MHz范围内的峰值效率超过75%。
作为另一个节省时间的选择，Ignion的AI天线集成设计平台Oxion™让工程师能够实时测试Virtual Antenna®设计的可行性，包括增强器组件的选择、位置设置和建模性能。设计性能之间的权衡可以通过简单的拖放界面进行调整。
Virtual Antenna®技术的灵活性非常适合应对无线物联网行业的趋势，即通过集成实现小型化、提高能源效率、更高频率的操作，以促进更高的数据速率、更好的MIMO技术和适应不断发展的无线协议。
(原文刊登于EDN姊妹网站Embedded，参考链接：Virtual Antenna Technology: A Different Approach to IoT Antenna Design，由Ricardo Xie编译。)
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