幾十年來，天線和微波工程這兩門學科都有著千絲萬縷的聯系，卻又相當獨立。二者都具有高度專業性和復雜度，任何一方的專家都不會質疑另一方的專業學識。微波工程師主要關注如何通過各種有源（放大器、振蕩器、有源調諧器等）和無源（濾波器、耦合器、分離器等）器件來調節無線電波，而天線工程師則一直在研究采用愈發復雜的基于分形及相關天線幾何架構來自由操縱電波的創新方法。不過，隨著“無天線”技術的引入，這種劃分可能會發生根本的改變。相比于傳統天線工程，這種技術使得天線設計與濾波器設計變得更加相似。

無天線技術的原理是使用一種名為天線增強器的現成標準化微型部件，來替代復雜的定制化天線設計。天線增強器本身即為芯片狀，采取表面貼裝，從而能夠像其它電子元件（如微處理器、存儲器、放大器、濾波器或開關）一樣完美契合印制電路板。它還能與傳統貼片機相結合，使得下一代IoT/移動或無線設備的設計和制造過程更加簡單、快速且高效。

對天線和微波工程師而言，微型貼片天線已經問世幾十年了，那么這些新興的天線增強器又有何與眾不同之處值得關注呢？一大革新點在于它們的多頻帶能力。傳統的微型貼片天線采用高介電常數陶瓷材料，對于窄帶單頻應用（如藍牙和GPS）而言性能尚可。單個新型無天線增強器在寬頻段（如698至2690MHz）上都可實現完整的移動性能。此外，它們由傳統的低成本材料（如環氧玻璃基板或塑料印模組件）制成，使得這種現成的部件能夠低價批量生產。

圖1描繪了無天線技術為新一代移動/IoT設備帶來的根本變化。從早年的板磚手機中短粗的外置單極/偶極天線到最新的天線增強器，天線技術總是在朝減小組件尺寸的同時增加頻帶數量這一方向發展，經歷了巨大的進步。

圖1：天線的演化：從外接單頻天線到微型天線增強器。

天線工程師們對于增加頻帶數量以及減小天線尺寸的挑戰有句口頭禪：“尺寸波長一換一。”盡管天線技術一直在進步，不斷產生更復雜的形狀來滿足小空間的多頻帶需求，然而到了2008至2012年間，似乎遇到了技術瓶頸，天線尺寸無論如何也不能再進一步縮小了。畢竟，Chu和Wheeler在二十世紀四十年代提出的基本限制條件就是：任何比工作波長小的器件（如≤λ/10），它的輻射情況都會受到影響，極端情況下甚至不會產生輻射。那么，這些遠低于此限制條件（常為工作波長的1/30或1/50）的小型天線增強器又該如何在移動頻率下達到全輻射呢？它們又是如何同時在多個移動/無線波長間實現全輻射的呢？

無天線技術的物理原理

無天線技術的一個關鍵點在于意識到將一個或多個微型天線增強器與輻射接地面結合在一起的重要性。接地面一般是金屬平衡層，用于幾乎所有的電子無線設備內，以提供穩定的零電壓參考，同時屏蔽一些電磁干擾。接地面在大多數移動和無線設備中都已被集成到單極或貼片等不平衡的天線結構內，亦或是縮小版的倒F天線（IFA）以及平面倒F天線（PIFA）中。

對于這些典型的天線結構而言，接地面對整個天線輻射總是起著重大作用1。如今的新型無天線技術就是在發揮極限：接地面成為系統的唯一輻射元件，而增強器主要是平衡接地面的無功分量，使得電流形式的全RF能量被有的放矢地引入到輻射導電層上。

接地層通常與工作波長尺寸相當，支持多個輻射特征模式，從而能夠同時輻射多個波長2。如此一來，由于輻射是從無線設備內部的接地面發出，天線元件被純無功元件替代，原本的輻射天線換作了能夠引發輻射但本身不產生輻射的組件，使得無線設備變為真正意義上的“無天線”。

無天線系統中的這些新無功元件正是所謂的天線增強器。天線增強器是微型無功元件，通常小于最長工作波長的1/20或1/30，可以方便地嵌入到表面貼裝（SMD）部件中去3,4。圖2就是一個市售天線增強器的例子。它可以采用電或磁性形式，其特征在于導體中具有小導體或小間隙，饋電過程類似于傳統的電磁天線4。由于尺寸非常小，這些增強器顯然是不諧振的，所以便需要一個匹配網絡來為RF前端提供良好匹配。通過遵循微波工程匹配技術，設計恰當的匹配網絡，增強器—接地面這一組合能夠很容易實現幾乎任意移動頻段的多頻帶輻射性能。

圖2：Fractus Antennas研發的CUBE mXTEND?天線增強器的體積僅為125mm3。

在許多無天線系統中，最重要的是增強器和匹配網絡工作組件都要具有高品質因素（高Q值）。由于輻射主要源自接地層，增強器便基本淪為無功元件，需要具備低損耗以防止在接地層發出輻射前泄露RF功率。成功應用電增強器的設計方案包括使用塊狀固體金屬元件和法拉第籠狀金屬結構2-4，具有與更大尺寸的定制PIFA或IFA天線相同的整體效率。

無天線系統的一個主要優點是整個系統的頻率響應是通過匹配網絡而非天線結構和幾何形狀來實現定制的。一個標準的SMD天線組件，匹配網絡通常包含三到七個組件，較常規PIFA天線的一至三個而言稍復雜，從而使得698至2690MHz頻率范圍內的任何頻率響應都能夠實現。因此，天線/微波工程師們現在需要轉向為每個特定的無線或移動設備設計合適的匹配網絡，而不是努力在改變天線形狀以匹配無線設備內部結構的同時提供所需的輻射性能。通過摒棄天線這一環節，無線/移動應用設計達到了前所未有的快捷、簡潔、可預測。

無天線2G、3G、4G

下面這個例子說明了移動平臺通過與單個天線增強器、匹配網絡和接地面的結合，在五個頻帶上運作的情況。增強器的尺寸為5mm*5mm*5mm，且同時工作于824至960MHz和1710至2170MHz。圖3為評估板，包含了增強器、接地面和含六個組件的匹配網絡。需要注意的是，在824MHz下，5mm僅為λ/72，遠低于小天線的極限5。盡管微型SMD組件與其它貼片天線的組裝方式相同，但實際上它通過朝正常移動設備（如手機）大小的接地層導入輻射電流，起到了增強器的作用。天線增強器的實際位置取決于接地面的尺寸。本例中，角落是首選位置。天線增強器相對于接地面的位置對整個輻射系統的效率起著重要決定作用。一旦選擇了優選位置，下一步就是提供阻抗匹配。這個兩步過程將確保天線系統輻射及接收電磁波的總效率保持最優。

圖3：基于CUBE mXTEND?天線增強器的五波段單端口移動天線系統示例。評估板包括一個增強器、一個接地層和一個包含六個組件的匹配網絡。

如上所述，由于接地面增強器的性質是無功的，所以需要多頻帶匹配網絡來同時匹配兩個頻率區間（824至960MHz和1710至2170MHz）。這樣的設計并不像單波段匹配網絡那樣簡單，后者采用一個L型或π型電路通常便足矣。我們這個例子設計了一個用到六項集總元件的匹配網絡。這個設計過程的目標是發生器功率傳輸到接地面增強器的多少，采用了一種微波計算機輔助設計（CAD）工具按照那個目標進行了優化。當匹配網絡設計完成并整合到PCB中后（圖3的左上方），我們進行了VSWR及總效率的測量。其結果（圖4）顯示，運行頻段的VSWR≤3，在824至960MHz和1710至2170MHz頻率區間上平均總效率分別為56.7%和75.8%。

圖4：圖3中的五波段單端口移動天線的VSWR和包括失配損耗的天線效率。