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AntennaWare BodyWave 颠覆天线

发布时间:07-12 编辑:AntennaWare

2022年,总部位于爱尔兰贝尔法斯特的初创公司AntennaWare横空出世,在天线工程领域——自冷战以来几乎没有任何实质性进展或改进——提出了一些令人瞠目结舌的说法。该公司声称其天线能够在可穿戴设备和严苛环境下提供卓越的无线传输距离和可靠性。
  

AntennaWare 是贝尔法斯特女王大学 (QUB) 的一家衍生公司,由无线通信副教授 Gareth Conway 和 Matt Magill 创立。Matt Magill 在该大学攻读植入式天线博士学位,并成功申请和获得了多项专利(图 1)。凭借 QUB 的深厚技术研究,这些专利成为了 AntennaWare 核心技术创新的基础。这项知识产权的首次应用体现在 BodyWave 系列天线中。AntennaWare

当时宣称 BodyWave 天线在穿戴式非视距 (NLoS) 应用中能够显著提升链路裕度,其宣传力度令人难以置信。市场宣传称性能提升可达 10dB 至 20dB。简单来说,这意味着性能提升幅度是现有解决方案的 10 倍到 100 倍。再次强调,为了澄清这一说法在其他技术领域的神秘性(例如,目前最高时速为150英里的汽车将能够以15000英里的时速行驶,火箭可以用纽扣电池驱动),无论类比或类比如何,这些说法都如此荒谬绝伦,令人难以置信,因此大多被驳斥为妄想狂的胡言乱语。

然而,AntennaWare出自贝尔法斯特女王大学(QUB)并不令人意外。该大学在孵化衍生企业方面有着悠久的历史(自1984年以来已超过100家)。这些公司从根本上改变了各个行业的面貌,从音频(APT有限公司)到光谱学(Andor)再到医疗(Fusion Antibodies)。贝尔法斯特女王大学在英国的创业影响力和衍生企业数量方面一直名列前茅。


照片 1:AntennaWare 的首席技术官 Matthew Magill 和联合创始人 Gareth Conway。
解决问题
AntennaWare 旨在解决的主要问题是与遮蔽效应或人体阻挡效应相关的。人体造成的遮蔽效应会在穿戴式天线的辐射模式下产生大面积的零点,从而严重影响可穿戴设备的传输距离和可靠性,尤其是在不可预测的动态应用中。

简而言之,人体就像一块巨大的海绵,会吸收射频信号,因此这种能量吸收会严重影响无线穿戴式设备的性能。随着频率的增加,人体阻挡效应的问题会变得更加明显(即,性能下降/人体吸收/失谐与波长的缩短直接相关)。

更复杂的是,人体阻挡效应的发生似乎具有随机性,因为能否获得稳定的信号完全取决于佩戴者的体型、体内水分含量以及身体相对于反射面的位置。直白地说,即使将同一无线穿戴式设备佩戴在两个不同的人身上,其性能也会有所不同。即使是同一个人,每天的性能表现也会因饮水量或体内水分的多少而有所不同。此外,即使是同一个人,在同一天,在办公室和空旷的足球场上进行测试,其性能也会截然不同。总之,这对于可重复性和一致性来说简直是噩梦。AntennaWare

的 BodyWave 天线旨在解决这些挑战,并增强人体遮挡方向的覆盖范围。与现有商用芯片天线相比,其在非视距 (NLoS) 方向上的前向路径增益可提升 10dB 至 20dB。BodyWave

天线还能有效抵抗因接地平面尺寸变化而导致的辐射性能差异。其接地设计允许将组件、电池、连接器等直接放置在天线下方、接地平面的另一侧。这提高了集成度,并省去了定制形状 PCB 接地平面的需要,从而避免了杂散辐射。最终,OEM 厂商能够获得尺寸更小的产品。

需要解决的第二个问题是如何让产品开发人员更容易理解相关的市场宣传资料。天线供应商往往只宣传其产品在特定安装和使用条件下达到最佳性能时的规格。这导致即使遵循供应商的指导,产品仍然缺乏一致性或可靠性。

BodyWave天线是一种地面表面贴装器件(SMD)天线组件,根据频率的不同,可提供多种外形尺寸,其中波长决定了X、Y和Z方向的尺寸。例如,对于8.5GHz的超宽带(UWB)应用,其尺寸为5mm × 5mm × 3mm(图2)。


图 2:采用 Nordic nRF5340 的蓝牙低功耗音频 2.4GHz BodyWave 天线,位于 Virscient LiveOnAir PCB 上。
集成工作由 AntennaWare 的现场应用工程师 (FAE) 团队提供支持。他们将与制造商的设计团队合作,协助进行阻抗匹配和调谐,以确保设备实现最佳、稳定可靠的性能。此过程始于仿真,首先会讨论系统的外形尺寸、应用场景和无线电类型。随后,双方会共享 PCB Gerber 文件,并在 AntennaWare 的消声室中测试初始原型。接下来进行精细调谐,完成设备开发的早期阶段。

设计阶段结束后,AntennaWare 的 FAE 团队将与 SMT 制造工厂合作,解决供应和质量控制问题,并协助实施任何纠正和预防措施。

应用案例:
如果 AntennaWare 的说法属实,或者至少部分属实,那么 BodyWave 将为那些在特定条件下完全无法工作或性能随机性极高,导致输出数据存在根本缺陷的设备带来增益和稳定性。

值得注意的是,10dB 到 20dB 的性能提升是基于与设计非常糟糕的系统(例如,匹配不佳等)的比较。也就是说,在进行实际分析和比较时,性能提升通常在 6dB 到 13dB 之间,包括亚吉赫兹到低吉赫兹 (GHz) 频段。如果我们回到汽车的比喻,假设最高时速为 150 英里/小时,那么性能提升将是 20 倍,我们的新型超级跑车可以达到 3000 英里/小时的速度,这仍然相当不错。关键的区别在于 BodyWave 能够提供大幅提升的链路裕量(图 3)。这种链路裕量可以带来更远的传输距离或更高的功率。额外的 6dB 性能提升可以转化为非视距 (NLoS) 链路传输距离的两倍,或者功率的两倍,从而确保在射频位置不佳的情况下连接依然稳定可靠。此外,这部分功率还可以用于延长电池寿命或缩小电池尺寸,同时在现有设计下获得相同的性能。


图 3:BodyWave 天线的另一个例子,在这种情况下,它被应用于 UWB 6.5GHz 至 8GHz 无线音频应用中,使用 Remora Pro PCB 上的 Qorvo 无线电。
公司进军市场时,面临的挑战是找到受网络连接不佳影响最大的群体,他们很快便锁定了无线实时专业音频领域。这个领域容错率极低,因为反馈是即时的(也就是说,一旦出现可听见的故障或信号中断,所有人都会立即知晓),而且根本无处可藏。AntennaWare很快便开始与Hollyland和Raycom合作。Hollyland

的应用是为电影和电视制作人员使用的穿戴式通信设备。在2025年阿姆斯特丹IBC展会上,Hollyland发布了其Solidcom通信系统,该系统采用了AntennaWare的DECT(1.9GHz)BodyWave天线。这是双方三年合作的成果,目标非常明确(即,将非视距(NLoS)通信范围从150米提升至300米,提升6dB)。最初的18个月主要用于验证BodyWave天线能够实现性能的飞跃式提升。接下来的 18 个月里,我们按照常规技术将天线集成到一系列新设备中,并在新产品推出过程中进行了各种迭代(图 4)。


图 4:Hollyland H1 腰包。
总部位于英国的Raycom公司,主要以分销用于真人秀节目制作的无线麦克风而闻名,是另一家迅速意识到BodyWave潜力的公司。其首席执行官Pyers Easton是业内传奇人物,他最初凭借海盗电台的辉煌岁月在广播界崭露头角。Pyers曾是Kiss FM和Radio Horizo​​n等电台背后的技术奇才

,他对无线连接相关的问题以及可能导致现场制作或广播中音频中断的因素有着深刻的理解。Pyers和他的Raycom同事想要解决的问题仍然是传输距离。这次的频率是633MHz,他想要一种外置天线,以便音响工程师在出现链路问题时可以将其添加到他们使用的无线电设备上(也就是终极救命稻草)。对于穿戴式应用,存在限制功率传输的特定吸收率(SAR)规则。该项目促成了Raycom公司Pebble配件的推出,该配件能够将非视距(NLoS)通信范围从51米提升至122米,增益约为9dB(图5)。正如Pyers所说,“这是70多年来首款真正意义上的全新专业穿戴式无线天线设计,专为当今要求严苛的影视制作环境而打造。”


图5:Raycom Pebble天线原型,由Raycom与AntennaWare紧密合作开发,用于专业穿戴式无线发射器。Pebble采用BodyWave技术,可保持可靠的射频性能,确保最佳功率传输,并最大限度地减少穿戴式UHF无线麦克风发射器的失谐和信号损失。
顺便提一下,前面提到的70年指的是冷战时期。上一次天线技术取得重大进展,是在半导体出现之前,当时的技术还主要以模拟为主……如果说哪个市场最需要颠覆,那非天线莫属。BodyWave

的第三位客户并非音频用户,而是利用其技术采集高水平运动员的身体测量数据,并将其传输给分析团队。Catapult是一家总部位于澳大利亚的上市科技公司,致力于为全球每位运动员和团队提供释放潜能的解决方案。Catapult最初由澳大利亚体育学院(AIS)和合作研究中心(CRC)合作成立,旨在最大限度地提升澳大利亚运动员在雅典奥运会前的表现。该公司于2006年在墨尔本正式成立。Catapult

早期开发的穿戴式技术旨在解决运动表现方面的基本问题。如今,他们已成为运动科技领域的全球领导者,为运动表现生态系统的各个环节提供解决方案。从可穿戴设备追踪到运动员管理和视频分析,AntennaWare 的 UWB BodyWave 天线被应用于其 Vector 8 设备中,显著提升了 10 倍的射频功率。在体育场内对 10 万人进行的测试中,数据质量显著提高,信号在狭窄空间内的传输效果也远胜以往版本。这使得实时采集的数据更加完整、更加丰富。

运动员对数据采集的需求广泛而多样,例如游泳教练希望在水中清晰地分析队员的技术。UWB 技术能够提供如此精细的数据,而该系统本身也具备防水功能。UWB 技术

还有哪些应用场景?
在积累了丰富的经验和实际应用案例后,AntennaWare 的下一步计划是继续拓展以往被认为不可能的应用场景(图 6)。在音频领域,UWB 技术正引发广泛关注,其巨大的应用潜力令人瞩目。超宽带 (UWB) 技术在实时、高质量、低延迟应用方面具有巨大潜力,相关讨论已持续超过 20 年。然而,其工作频率范围为 6.5GHz 至 8GHz,因此极易受到人体吸收和阻挡等因素的严重影响。鉴于 BodyWave 技术能够通过额外增益实现更佳的性能,UWB 如今已成为专业音频和高端消费音频领域的可行选择(图 7)。


图 6:适用于不同无线标准和应用的 AntennaWare BodyWave 天线。
这项计划得到了UWB联盟和音频工程协会(AES)的支持,这主要归功于Jackie Green。Jackie Green曾为铁三角(Audio-Technica)旗下子公司开发过一系列UWB无线麦克风。(用Jackie的话说,“我测试过BodyWave,它真的有效!”)。Sonus faber、Focal和Sonical等公司推出的几款产品已经将UWB技术从理论推向了现实。此外,三星也计划在其无线耳机产品线中采用UWB技术。

真正能够快速推动这些应用场景发展的,将是UWB/蓝牙音频SoC芯片。这种芯片无需数字音频数据压缩,即可提供24位/96kHz采样率的音频,并且延迟极低,即使是最挑剔的游戏玩家也能满意。

音频应用领域非常广泛,以上案例涵盖了现场制作的各个环节,包括镜头前后。真正蕴藏巨大潜力并应激励整个行业的,是安全、安保和执法领域有线通信的替代方案。无论是站在商业街夜总会外的保安、日常巡逻的警察,还是冲进燃烧建筑物的消防员,他们都受限于使用“一键通”(PTT)功能的有线耳机。这存在单点故障的风险,因为耳机很容易被发现、扯掉,从而切断与总部的通信链路。对于消防员来说,耳机本身可能易燃。在这些情况下,通信链路的中断并非像在专业音频/消费电子市场那样只是轻微的不便,而是关乎任务(甚至生命)的关键所在。BodyWave 提供的额外增益,使这些应用可以实现无线化,并降低佩戴者的风险。

其他更大的市场领域也将为创始人及投资者带来更高的投资回报。这些应用场景涵盖资产追踪、近距离监测、医疗保健(包括人和动物)以及汽车领域。广义而言,运动可穿戴设备属于资产追踪范畴(例如,设备在哪里、正在移动、速度如何),那么有哪些变化需要注意呢?进一步来说,人体资产追踪应用,无论是急救人员和士兵的“人员倒地”警报,还是老年护理,都需要一定程度的精确性和实时数据。这两种应用场景都存在佩戴者可能摔倒在发射设备上的风险。在这种情况下,设备将无法发出信号;而配备 BodyWave 设备后,则可以向救援人员发送救生信号。此外,由于实时数据的存在,最后一次传输点可以非常准确地估算出佩戴者摔倒的位置,从而提高救援人员更快到达正确位置的几率。

将应用范围扩展到医疗行业,使用持续血糖监测 (CGM) 的 2 型糖尿病患者需要将佩戴式 CGM 设备与手机连接,而稳定的数据链路至关重要。如果佩戴者 CGM 和手机之间的信号中断,可能会出现两种情况。首先,系统会发出警报,这会造成干扰。其次,如果佩戴者出现血糖骤降且无法移动,则整个系统将无法正常工作(即,无法警告佩戴者血糖水平正在急剧下降)。

以上所有示例均与佩戴式应用相关,值得一提的是,BodyWave 可以轻松替代普通的单极天线。单极天线性能优异,但其缺点在于会从所安装的设备上突出。如果设备是可移动的(例如,野战士兵的无线电天线或报道户外活动的体育记者),则天线可能会被钩住,导致佩戴者无法与同事通信。此外,美观也是一个重要因素;突出的天线看起来并不吸引人。BodyWave 天线的低调外形设计能够完全替代单极天线,且不会对设备性能造成任何影响。

值得注意的是,
AntennaWare 目前提供的天线产品主要以组件交付为主。因此,目前共有两个系列:前面提到的 BodyWave 系列和 OmniWave 系列。


图 7:AntennaWare 的 8GHz 9 频道 BodyWave 天线。
OmniWave 器件旨在解决金属表面应用难题,例如金属表面导电导致吸收问题,从而难以实现稳定的性能。其应用场景包括智能工厂、仓库、医院等场所的传感器部署,这些场所的静态或移动设备可能为金属材质,并可能出现系统性能下降、不稳定或不可靠等问题。AntennaWare 的 OmniWave 器件正是为了解决这些问题而设计的。未来,

AntennaWare 将通过授权许可计划,满足小型化应用的需求(例如耳机、智能眼镜、手机和智能手表)。BodyWave 和 OmniWave 的核心 IP 可以集成到更小的设备中,并实现相同的性能提升。随着公司规模的扩大,将着重解决多个合作伙伴问题(例如,与射频芯片供应商建立参考设计合作关系、与模块供应商合作以简化 OEM 集成、推广 ODM 产品以及与全球多家主要设计公司和分销商建立合作关系)。许多合作关系已经建立,更多合作公告也将很快发布。AntennaWare

的 BodyWave 产品系列概述如下:OEM 厂商可以实现传输距离翻倍或功率减半(即增益 6dB)。如果系统能够成功获取 12dB 的增益,那么 OEM 厂商将处于非常有利的位置,既能享受传输距离翻倍带来的增益,又能将功耗减半。BodyWave 的一个优势在于,它能够最大限度地减少限制区域,从而赋予工程师更大的创新自由,进而提高 PCB 空间的利用率(例如,更小的尺寸、更大的电池容量、更隐蔽的连接器)。所有这些都将降低设备的复杂性,进而减少故障或退货(从损益角度来看,提高设备的整体盈利能力)。

到 2028 年,全球预计将推出 300 亿台无线设备,所有这些设备都至少需要一根天线。这将给频谱资源带来更大的压力。从天线反向设计系统并采用 BodyWave 技术,可以确保设备在当今和未来都能正常工作,尤其是在城市射频饱和度日益增加的情况下。再加上消费者对这种技术的接受压力,以及各国政府希望拍卖频谱用于下一代蜂窝网络,未来的设备将更容易受到人体阻挡的影响。

尽管天线技术的发展已经过去了 70 年,但鉴于市场的这种融合趋势,如果说 BodyWave 技术有出现的最佳时机,那就是现在。

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关键字: 音频

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