RF高手大玩天线设计捉迷藏

很多跟我一样属于某个世代的人(特别是工程师)，通常会认为先进技术都会跟太空有某种程度的连结，像是多元相位数组天线(multi-element phased array antennas)这种东西；而最近笔者有幸与一位专长该技术的工程师聊到相关话题以及天线设计技术上的挑战，让我收获良多。

这位既拥有专精技术又脚踏实地的工程师是一家名为Antenna Company的公司执行长David Favreau，他与他的团队具备最近非常抢手的天线设计专长，特别是在介质共振天线(dielectric resonator antenna，DRA)技术上。介质共振器是作为一种无线电波能量透镜(lens)，能有助于聚集RF设计工程师所需要的能量，以实现更小巧的天线设计──因为能使用更少导电组件来达成同样效果的天线增益。

利用巧妙的工程，Antenna Company所设计之天线就像是捉迷藏高手，即使是最精明的拆解专家也会找不到──该公司团队最引以自豪的技术就是能将天线的占位面积最小化，隐藏在系统机构设计中，例如笔记本电脑的转轴。虽然DRA技术本身就具备这种可以「玩躲猫猫」的灵活性，这家公司自有的建模工具也是团队能实现创新天线设计的关键。

听起来是很深奥的技术，确实也很少有人能充分理解其内涵，毕竟天线设计通常都是RF工程师说了算。诞生在2013年的Antenna Company是由两位天线专家所创立的公司，其中一位创办人Johan Gielis开发了一种来自「Gielis超级方程式(Superformula)」的设计模型，能实现更小巧的介质共振天线建模。

采用DRA技术的指向性户外Wi-Fi天线。(图片来源：Antenna Company)

数量与种类越来越多的无线装置带来了对更小巧、更有效率天线之需求，而对RF设计工程师来说，最大的挑战通常是得在有限的系统空间内，整合运作于相邻频段的众多RF子系统，同时又要维持同频/跨频隔离。不过隔离只是挑战之一，因为使用者还会期望每一个无线系统都提供足够的讯号强度、稳固的联机以及高数据传输量，且不被其他无线电/子系统干扰。

Antenna Company不是DRA技术的发明人，却是第一家将该技术商业化的公司，其首款产品是为Aruba Networks所设计打造的点对点户外Wi-Fi天线。DRA是一个值得关注的技术领域，特别是整合多个邻近无线系统使得天线设计复杂性提升，也提高了设计风险。

包括企业用网络、消费性宽带设备以及物联网(IoT)装置等的外观尺寸限制越来越多，但MIMO天线数组尺寸反而越来越大，加上多无线系统共存，要因应这些产品的设计挑战，介质共振天线的透镜现象能发挥优势。

但DRA技术预期不会应用在手机；根据Favreau说法，主因是该类天线产量有限，此外手机的厚度也是其局限。不过他表示，IoT装置的RF模块正从陶瓷芯片天线转向采用DRA，因为在IoT平台中有越来越多RF连结共存。此外网状网络装置也会是DRA的关键应用，同样是因为有更多无线系统挤在一起。

与DRA技术一样令人印象深刻的是Antenna Company最新开发的Wi-Fi 6E +UWB产品，以全向性辐射场(omni-directional radiation patterns)天线数组取代介质波束聚焦天线数组，以大幅节省空间。这种结合了一系列天线的方案能为企业应用系统实现三频室内天线；如下图所示，个别放置的天线组件能支持不同的无线电频段。

Wi-Fi 6E天线系统架构图。

(图片来源：Antenna Company)

 该新款Wi-Fi 6E天线数组是为接取点装置所打造，内含15支天线；Antenna Company表示，Wi-Fi天线对之间的隔离性能要优于45dB (该公司产品的Wi-Fi与UWB天线隔离性能为30dB)，才能在5GHz频段支持良好的并行运作。天线数组还支持UWB选项，以实现访问控制、室内导航、资产追踪与接触者追踪(Covid-19抗疫应用)等立即寻址系统(RTLS)服务。

 

Wi-Fi 6E是运作于6GHz频段的新一代Wi-Fi规格。

(图片来源：Wi-Fi Alliance)

 

按照Favreau的说法，「Wi-Fi 6E能实现传输量、速度与延迟性能的提升，支持企业与工业务联网市场的连网需求，而对UWB的支持则能让使用者扩充平台提供RTLS新服务。」每一种无线技术新标准都能为使用者带来更好的带宽与性能，但是光只有Wi-Fi技术本身，还是无法在现实世界呈现理论最佳效果，良好的天线设计不可或缺。