如何將越來越多的天線塞進越來越小的移動設備？這個問題困擾了設計師數十年。人們總認為，答案很簡單：用更小的天線或將天線更緊密地排布就能解決問題。殊不知，天線的尺寸和位置都有基本的限制。天線以電磁波的形式向多個方向發射能量。單獨一根天線，一切都很好。如增加一根天線，第二根天線就會淹沒在第一根天線發射出的強大信號之中，降低其接收微弱信號的能力。

兩根天線，情況已經很糟了。但目前，一臺普通智能設備可配備多根天線，包括一兩根Wi-Fi天線，一根藍牙天線，一根GPS天線，兩根或四根4G LTE蜂窩通信天線。

LTE天線多重性是規范標準，這是為了避免手機掉線，比方說，在通話時用手遮擋了一根天線，就會產生干擾。同一通信鏈路擁有多個天線可使手機運營商合并多個數據流，提升數據傳輸速率。不久的將來，5G通信還會增加這種合并的復雜性。手機的可用頻帶將擴展至6千兆赫（GHz），現有天線的任務會更艱巨，同時要求天線運行在28 GHz和37 GHz頻段。

設備設計師必須假設同一個組件中的所有天線同時工作。確實如此，設備常常在通過Wi-Fi或蜂窩網絡播放流媒體視頻的同時運行使用GPS和藍牙的App。芯片集制造商一直致力于功能合并，如使Wi-Fi和藍牙共用一個天線。設計兩個協同合作的系統是有益的，但這只能解決問題的皮毛。

所以現在的問題是，在一個狹小的物理空間內，多根天線要互不干擾地同時工作。設計人員曾試圖通過減小天線的尺寸、增強天線的方向性來解決這一問題。他們還曾尋求更有效的天線隔離方法，但棘手的是可用空間太小。

唯一合理的方案是采用新的天線設計方法。不是制造單個天線，讓設計師選擇放置位置，而是設計一套可作為一個系統共同工作的天線組合，然后將該系統作為一個整體單元安裝到移動設備中。

在深入討論此方法前，我們應當回顧一些天線基礎知識。天線就是一個換能器，多為銅制，在接收信號時獲取發送過來的能量，并將信號傳送給無線電芯片組。芯片組接收此模擬信號并將其轉換為數字信號，供設備主處理器使用。信號發射過程與此相反。

天線又如音叉，僅在自然共振的頻率上能有效獲取能量。通常，天線的共振頻率取決于物理尺寸，但也可以在不改變尺寸的情況下，通過增加電子元件“調整”天線的共振頻率。為了將天線排布在一個小空間，設計師要將它們扭成各式形狀。但是，天線的形狀和天線之間的距離是有物理限制的。

最初，移動電話只有一個天線，用于接收和傳輸蜂窩信號。那時，從手持部位伸出的天線是可識別的，有的是可伸縮折疊的，有的就是一個隆起的凸塊。在很大程度上，當時這是一個美學設計。但它確實給天線設計師很多空間來進行優化，獲得最佳的信號接收效果。

今天時尚的設備已經放棄了這種樣式，即使保留這種樣式也無濟于事。層出不窮的手機功能迫使天線數量成倍增加，這些天線擠在一起是不能工作的，相互干擾將破壞其功能。

齊聚一-體:筆記本電腦使用的傳統天線是沿著設備邊緣分布，以減少信號阻塞，盡可能增大間隔，減少彼此間干擾?，F在，所有天線組合在一起作為一個三維組件，可緊湊地排布在筆記本電腦鉸鏈轉軸處，此處有利于接收信號，且互不干擾。

當下，設計人員將不同的天線排布在手機四周的不同位置，通常是手機殼邊緣和后部，減少天線的彼此干擾，但很難避免用戶手遮信號。還記得iPhone 4的問題嗎？只要用戶改變手持手機的位置，就會造成這款手機信號的減弱，讓人大為惱火。這件事引發了使用多根同頻天線的熱潮，這些天線通常在手機底部和頂部以及左上角和右下角成對排布。

時代在發展，移動設備越來越纖巧，功能越來越多，這要歸功于摩爾定律對其中多數電子器件的影響。但摩爾定律對天線沒有幫助。天線設計是模擬電子技術最后的堡壘。通過巧妙的工程設計發現傳導材料的新形狀，或以不同組合配對傳導材料，可以保持天線的共振頻率，體積上也可做得更小，但往往無法做到低成本和高性能。有時甚至會使性能降低到不能正常使用的地步。有人曾從亞洲購買過一臺早期的智能手機，發現打開Wi-Fi后無法使用GPS。

將一大把天線塞入小小的手機遇到了困難，筆記本電腦也面臨同樣的窘境。表面看來，筆記本電腦制造者有更多的空間來排布天線，但他們越來越多地使用金屬和碳纖維做設備外殼。這些材質耐用且美觀，但其導電性或吸收性會阻擋無線電信號。因此，天線往往排布于顯示屏的鉸鏈軸或塑料邊框內?？捎每臻g越來越狹小。

巴塞羅那的Fractus公司正試圖解決這一問題。該公司研制出邊長僅有幾毫米的微小天線，Fractus公司稱之為“隱形”天線，可在窄帶（如單一Wi-Fi頻道）較好地工作。

另一種方法是使用多個定向天線，動態選擇接收指定頻率信號效果最佳的天線。通常此項技術用于Wi-Fi路由器卓有成效。但它在較小的空間內效果欠佳，因為無法選擇天線的形狀與位置，所以通常不用于小型移動設備。

將天線排布到狹小空間而不受干擾的一種更加傳統的方式是“極化”。這個概念與偏光太陽鏡的原理類似。偏光太陽鏡涂膜中的分子排列整齊，只允許特定方向的光通過，可以減少眩光。在最簡單的情況下，垂直放置天線發送的極化無線電波與水平放置天線成直角，當兩個不同方向的天線同時發射電波時，相互干擾的程度要比同一方向上的天線小得多。同樣，每個天線都可以更好地接收到微弱的遠距離信號。遺憾的是，設計人員發現，由于當前產品的物理局限，該技術的實施頗具挑戰性，特別是在多于兩個信號的情況下。

我們位于英國伯明翰的智能天線技術公司（Smart Antenna Technologies）采取了不同的方式。我們承認天線擠在一起發射射頻信號，會彼此干擾，我們認為專注于設計一根完美的天線是無意義的。

為了防止天線互相干擾，我們能做的就是使用標準極化技術，同時我們改變天線的三維物理形狀，使天線具有方向性，而且天線的方向彼此相反。

為讓天線更易于撇開外來無關信號，我們嘗試以非傳統的方式使用濾波器。通常，天線使用的濾波器為帶通濾波器，僅允許指定頻帶的信號通過。目前，此類濾波多為數字濾波。數字帶通濾波器的問題是要在模擬信號到達接收器并轉變為數字流后才可使用。這就太遲了，無法避免無線電工程師所稱的“靈敏度劣化”問題：如果需阻隔的帶外信號擁有足夠的能量，那么在大功率信號存在時以及其后的一段時間內，接收器將無法檢測到較弱的信號；能量差異可能極大——比如，無用信號為1瓦，而目標信號為3毫瓦。

將多根天線裝入常見物聯網設備的狹小空間，這種挑戰令人生畏。我們采用完全相反的方法。我們已知周圍天線發射的頻率，因此用模擬濾波器搜尋特定的頻率，并將這些信號短路接地，耗散它們的能量，同時指定的信號可無干擾地通過接收器。我們使用的也是標準的模擬設計技術。例如，在指定頻率點，用信號匹配識別傳輸信號。此方法的關鍵在于前端濾波（屬于模擬技術），并在信號到達標準接收器和模擬-數字轉換器之前，動態地轉變信號。

應用所有這些技術，我們可以在幾厘米的空間內緊密地排布天線。但要將它們全部合理地放置在三維空間中并實現協調工作，這并非易事。我們不能將這一步留給設備設計人員或制造商來解決，因此也不是在制造單個組件，而是移動設備所需的一整套天線。這套天線集成在一個0.44毫米厚的柔性印制電路板上，柔性設計降低了制造成本。?我們可先在二維空間加工，然后再轉為三維封裝——制作一個塑料模型，再用柔性電路板將它裹起來。

其中一種模型呈細長形，橫截面是三角形。我們的電路板沿三角形的頂點環繞折疊。一些天線呈L型，一些呈矩形，還有一些根據特定設備的內部空間定制。

對于超高性能的天線，我們使用更精準的制造方法——激光直接成型。用這種方法，我們能夠創造出更復雜的塑性模型，并直接在其結構上構建天線。這一技術先是注塑成型一個部件，該部件由摻雜絕緣金屬的塑料制成。然后用激光在塑料上繪出電路圖形。金屬添加劑使激光照射過的區域變粗糙。對材料進行無電極電鍍時，粗糙區域將會填充銅或其他導電金屬。

由于人們對移動設備天線的要求只會越來越高，我們認為這種天線設計方法是未來天線發展的方向。

數據傳輸速度將會提升。當前的4G技術通常能夠達到每秒100兆字節（MB），而5G預計將達到每秒1~10千兆字節（GB）。這就需要增加帶寬；有人說帶寬將增加到2 GHz。頻率也在提升，5G頻率將是28 GHz和70 GHz。

由于5G所需頻率很高，移動設備將使用類似天線陣列來獲得相應的性能，然后通過相移來調整信號，將其組合成一個擁有所需強度的信號。考慮到手機還必須具備全套的傳統天線，至少在不久的將來，移動設備內部空間的激烈爭奪將使集成天線成為必需品。

我們公司將使用這些技術制造的首批商業天線應用在主流制造商的平板電腦和筆記本電腦。

誠然，將天線塞入手機中相當棘手。但將多個天線排布到普通物聯網設備的狹小空間中更是困難重重。然而，商業實例表明，這些困難即將被克服。我們拭目以待。

作者：胡振華、David Tanner

編輯：黃飛

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