对许多人而言，射频就像是一个谜样的黑盒子。相关设计的挑战也许很多、学习曲线可能很高，所以最好还是留给别人去烦恼。这样的误解总是一再出现，然而实际上RF IC业者所提供的高整合性方案，可让这个任务出乎意料地简单许多。

由于全球各地法规似乎都不一样，许多设计人员可能会对有关区域法规的复杂性退避三舍，不过只要多加研究便能了解并符合不同区域的法规要求，因为在每一个地区，通常都会有一个政府单位负责颁布相关文件，以说明「符合特定目的」的发射端相关规则。

射频颇为难解的部分，在于射频链结的品质和许多外在因素有关；每一个变数彼此会产生交互影响，造成更复杂的情况，而这通常是相当难以厘清。不过只要掌握基本概念通常能有助于理解日新月异的射频链结品质。一旦了解了其中的基本概念，则许多问题皆能以一种低成本、易于实现的技术所解决，这种技术称为天线分集（antenna diversity）。

影响射频键结的环境因素

影响射频链结持续稳固性的主要环境因素，是被称为多重路径／衰减和天线极化／分集​​的现象。这些现象对于射频链结品质可能带来具建设性或毁灭性的影响，要看特定情况而定。正因为可能发生的情况太多了，于是，当我们试着要了解特定的环境条件、在某个时间点对射频链结的作用，以及其会造成何种链结品质时，因此而非常困难。

天线极化／分集

全向和指向型天线

被称为天线极化的现象是导因于任一特定天线的方向性。虽然天线极化的影响，可能被解读为会降低某些射频链结的品质，但有些射频设计人员常常利用此特性，藉由限制仅在某些方向上传输或接收讯号，将天线调整至符合需求。让天线不朝所有方向发射同样的射频电波时是可行的，而且利用此特性可保护系统免受其他RF杂讯来源的干扰。

使用简单的技术，天线也能被视为全向或指向性天线。全向性天线被预期在所有方向进行一致的发射和接收。指向性天线则仅在某些方向进行发射或接收。若要打造高度稳固的链结，首先就要从了解此应用开始。

指向型天线的好处

若某链结所接收的讯号皆来自一特定方向，则高度指向性的天线能提供极大的好处；

• ●配备指向性天线的接收器接收来自某些发射器的讯号，这些发射器位在此指向性天线特定方向的良好视线范围内。其他位在特定方向范围外的发射器则可能无法将讯号传送给接收器；





• ●配备指向性天线的发射器将朝预先定义的方向传播大部分的能量，而非朝所有方向发送能量，因此不会降低其射程能力。

天线传播图的不同格式

为了易于了解天线的各种情况，天线业者提供了天线传播图。天线传播图有不同的格式，例如电场平面图和polar（磁极化）图。

电场平面图提供许多资讯，但是在定向性或是模型形状方面，则通常不如磁极化图清楚。此磁极化图的设计类似一个罗盘，让人很容易便能了解天线在各个特定方向的增益。

《图一　传播图范例》

在此天线图中，工程师可以看见一个高层次的2D曲线，代表一个天线如何在其预期的平面上执行功能，然而，虽然天线在其他轴向的特性也会有所改变，但是通常不会提供3D资料，因为这会大幅增加此图表的复杂度。

此种鞭形天线通常会被视为全向性天线，其具有相当简单的3D图。

《图二　围绕在鞭形天线周围的传播场域示意图》

极为接近地，在平面图中，鞭形天线能提供极佳的覆盖，但是在3D图形中，它们在本身正上方或正下方的表现极差。这有助于我们能更了解天线被置入两层的室内环境中的情况。

通常，由于RF讯号会被墙壁和其他室内物体反射，所以不易观察到天线极化的效果，然而，仍可以观察到其他对RF讯号可能是建设性或破坏性的作用。此作用被称为多重路径／衰减。

《图三　天线定向性的效果示意图》

多重路径／衰减

当发射器或接收器有些小移动，且对链结品质造成极大差异时，通常便会观察到此种衰减现象。当天线在接收和传送讯号的波峰时便会发生此情况。

《图四　天线的衰减效应示意图》

多重路径则是此概念的延伸。当射频电波被传送时，它们被接收器接收的路径可能不只一条，由于其他物体（例如墙壁和树木）的反射形成多重路径，讯号可能来自数个路径。接收自这些来源的讯号，其到达的时间可能会有些微的差距，这就意谓可能会发生轻微的相位偏移。当这些讯号结合在一起，它们可能会导致「衰减」这种消失的形式。

《图五　直接和间接RF路线示意图》

《图六　由多重路径所引起的相位偏移，将造成最差的RF衰减情况》

最差的情况之一，是两个讯号以相差180度的相位到达接收器，则接收器将无法看到任何资料，造成100％的讯号衰减。在大部分的情况中，接收器不太可能会接收到相位偏移达180度的两个讯号，但是当多重路径的环境出现时，某些相位偏移还是有可能发生的。在这些情况下，便会发生某些讯号衰减。

天线分集

天线分集是一种常被用以恢复讯号完整度的技术。在产品中实现天线分集的天线，通常天线是以呈90度的位置黏着，如此极化／定向性的影响将不会降低潜在射频链结的品质。

《图七　使用多重天线对抗定向性示意图》

除了以呈现90度的位置黏着天线外，实现天线分集的产品中的各个天线，其黏着的位置皆会维持至少1／4波长的距离，如此能确保至少有一个天线是在波形的波峰中。

《图八　使用多重天线对抗RF衰减》

天线分集应用会提高元件负担

虽然天线分集对于恢复讯号完整度、以及维持链结边界免受环境影响等颇有益处，但是许多设计人员却不愿使用此方式。因为就他们的应用而言，此方法被认为必须在其他方面做出颇大的牺牲。在大部分的情况中，此牺牲意谓微控制器（MCU）整体成本的增加，因为微控制器必须长时间待命，以时时评估天线讯号。此增加的微控制器功能将会导致需要规格更高和更贵的微控制器，而微控制器必须「随时待命」，也造成电池寿命缩短。在其他情况中，采用两个天线的解决方案将增加额外的空间需求，或是需要其他的编码专业技能，这些都限制设计人员只能采用单一天线设计。

天线分集系统加重设计编码负担

编码一个天线分集系统将会增加设计上的编码负担。许多天线分集系统会经过最佳化，以同步方式运作。接收器上的微控制器具有定时功能，让接收器知道何时要开始接收资料，在这些情况下，微控制器可立刻开始评估两个天线的讯号。为评估此讯号，微控制器会切换各个天线并评估接收讯号强度指数（Received Signal Strength Indication；RSSL）水准。在接收器并未采用定时器的其他产品中，射频必须去侦测一个封包的开始，因为前导讯号可能会被误判为杂讯（或反之亦然），不幸的是，特定天线中的强烈杂讯可能会导致封包的开始被错过。

《图九　检视RSSI水准以评估天线选择》

方案一：有条件调整前导讯号

较长的前导讯号通常是用来提供给微控制器及其天线分集演算法足够的时间，去侦测和评估每一天线上的讯号，确保能发现真正的前导讯号。但是较短的前导讯号比较受到青睐，因为它们能减少微控制器待命的时间，进而降低射频链结传输和接收端的微控制器功耗。工程师通常会试着找出折衷之道，他们会藉由调整天线分集演算法以降低前导讯号的长度，但是却得冒着会造成其他射频相关问题的风险，因为前导序列通常都经过最佳化，可提供快速的位元时脉回复。

方案二：天线分集演算法和控制整合方案

将天线分集设计到系统中显然有许多好处，然而这个任务本身却让人胆怯，不过，厂商所提供的射频IC系列，却能藉由将天线分集演算法和控制整合至RF IC本身，进一步解决编码和MCU待命的相关问题。

灵敏度和有效讯号控制

特定厂商所提供的射频IC并不依赖发射器／接收器同步法，这能节省RF链结两端的耗电。且当接收讯号低于讯号品质门槛（SQ），其可定期切换天线，借此克服错过封包的问题。此讯号品质门槛为根据接收器灵敏度或是有效讯号门槛，而天线的选择则是根据有效讯号指示。一旦接收器选择了一个天线，此接收器将继续利用此天线接收其余的封包。

《图十　第一种的天线分集演算法状态图》

演算法机制

为确认此天线切换的频率足以捕捉天线之一的封包，每当此演算法进入「测量SQ」（Measure SQ）功能时，便会启动一个定时器。

《公式一》

其中：

• ●TPL为在特定讯号部分中可被容许用来选择天线的最长时间（例如封包的前导讯号）；N是分集接收器所采用的天线数目。

测量SQ运作功能

在「测量SQ」功能运作期间，会针对讯号品质（Signal Quality；SQ）进行测量，若SQ低于讯号品质门槛，或是定时器时间结束，则天线会被切换，且会再次启动「测量SQ 」状态。另一方面，若测量到的SQ高于SQ门槛，则接收器会持续使用被选择到的天线，进行剩余封包的接收。

天线分集演算法检视天线传输品质

可能的情况是，当天线因为有效讯号指示而被选择时，其讯号品质仍可能比最佳讯号差，这是因为在天线上进行的测量可能在封包到达前就先被杂讯占据了。在首个有效讯号品质指示产生时，在选择具有最高讯号品质的天线前，射频IC内的天线分集演算法会先检视其他天线，看看是否有更高的讯号品质。

《图十一　第二种更进步的天线选择的状态图》

缩短前导讯号测定方案

如先前所述；在一个射频系统中，在不牺牲快速时脉位元回复的情况下，尽可能缩短前导讯号，对电池寿命是大有益处的。

为求符合这些目标，射频IC可使用前导讯号品质侦测器以测定讯号品质。当前导讯号侦测器指出无效的前导讯号或是时间用尽时，则接下来会选择另一个天线，且接收器将再次尝试找到有效的前导讯号。若找到有效前导讯号，则RSSI值会储存在其他的天线中，拥有最强烈RSSI的天线会被选中。由于RSSI测量相当快速，因此可节省时间，且前导讯号可以缩短。

《图十二　RSSI值被用来缩短所需的前导讯号长度》

为确保不会发生错误的前导讯号侦测，在选定天线后将再次确认前导讯号的存在，若未侦测到前导讯号，则分集演算法将重头开始。若成功侦测到前导讯号则在前一个步骤被选中的天线将会用以处理剩余的讯号。

《图十三　Silicon Labs提出的射频IC天线分集状态图》 - BigPic:588x436

结语

了解天线分集设计方案，复杂的射频问题便可迎刃而解。除了考虑影响射频键结的环境因素外，了解天线极化／分集​​的技术内容和多重路径／衰减的特征

也是重点。天线分集的极化／定向性的影响，将不会降低潜在射频链结的品质，但应用会提高元件负担、系统加重设计编码负担。因此，这些问题可藉由有条件调整前导讯号、以及有效发挥射频IC的天线分集演算法和控制整合方案来加以克服。

＜参考资料：

[1] Advanced Antenna Diversity Mechanism. Qun Shen and Michael Lenzo US pat. No: 5,952,963. September 14, 1999.

[2] Network utilizing modified preamble that support antenna diversity. Ronald L. Mahany. US pat. No: 6,018,555. January 25, 2000＞