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樓主 |
發表於 2007-9-26 11:14:31
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所有這三類天線都可用PCB實現,且一個多層PCB能提供多個設計選擇,包括作為某些配置所需的接地面。類似遙控開鎖(RKE)以及車庫遙控開門器等對性能要求不嚴苛的應用,採用的就是這種天線設計。 / q8 w$ Y9 Z" T. A4 x6 F- J; U7 [
3 c9 Y9 W4 x$ H6 P! \" y2 p5 }由於PCB天線的設計成本可忽略不計,那麼為什麼它無法成為設計優先選項呢?其中幾個支配性因素都與前端設計和實際建置有關。
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首先,天線設計並不簡單。即使採用類似數位電磁碼(Numerical Electromagnetic Code)等建模程式,電路或系統工程師對電磁世界也相當陌生。他們面對的是一個電磁場世界,而不是特定的電壓和電流點或流動的電子流。
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$ h# l5 m# s# A8 c; M其次,與許多工程設計一樣,類似中心頻率、頻寬、場模式、效率、天線瓣和增益等相互衝突的屬性使得平衡取捨更加困難。
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第三,評估天線性能並不容易,它需要特殊的測試儀器、無反射的腔室或開闊地點。它還需要時間、金錢和專門技能。另外,正確的測試項目還必須包括對於人體手部和頭部的實體複製,以評估用戶的手對天線的影響,或評估天線輻射對用戶頭部的影響。 8 U2 C: s" @ F N% t6 H
. P# L: n, p* @這些還都只是理論。事實上,還有其它因素會造成影響。天線當然佔用了可貴的PCB空間,其性能屬性並受到附近元件以及用戶手、頭和身體的顯著影響。人體組織的相對介電常數是40,而PCB的介電常數約介於25∼85,所以人體組織將充滿共振元素而影響磁場。 1 ^3 \0 w* B9 O3 c
: Q4 t! G! D6 i' ?另外,當為了多頻帶作業或多樣性設計而需要多個天線時,若干基於PCB天線間以及天線和附近區域間的交互影響將使性能預測更困難,而其對細微的佈局變化也非常敏感。
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同時,還必須關注約束天線場特定吸收率(SAR)的規則。SAR是像人體組織吸收RF能力的比率;通常採用兩種方法對其進行測量:一是測試由於吸收引起的溫度升高;二是測試模擬人體組織的流體電場。美國聯邦通訊委員會(FCC)的網站上有更多資訊。必須理解和分析天線的近場和遠場性能,因為它們可能密切相關。
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x) c; r. a/ p4 {0 J( W最後,天線並非與無線設備的接收前端或發射功率放大器級隔絕獨立。電路設計師必須確定天線以及在相關階段的阻抗,然後設計出一個匹配的網路,以在整個目標頻寬內最大化功率轉換(見圖2)。
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& B5 P) O+ z; M+ X* s7 T8 {; a% l圖2:天線子系統包括前端接收放大器或發射放大器、匹配網路和天線本身。
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- g O* l4 J3 z N9 V# \+ U這通常是一項困難的設計工作,涉及到專業運算和測量以及專用工具,如Smith圖。 & x. K0 H0 G" c$ a x
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電介質成為天線設計一部份 + G4 `) g! \% @6 i
+ u* K1 w7 z; }6 D3 q幸運地是,材料學和天線理論的發展為設計工程師提供了在外接和基於PCB這兩類天線之外的其它選擇。這些天線將天線的體積效率最大化,同時克服或實際上消除了佈局影響及匹配的不確定性。相較之下,貼片式和鞭狀天線是二維的,其效能主要取決於所處空間而非體積。雖然分離式天線確實增加了成本,但它們也常常在改善或保證產品性能的同時減少了佔位面積。
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( U9 j# J( D# }, I Z4 ~聽起來也許不合常理,作為絕緣體的電介質可能在天線設計和實現中扮演著重要角色?但事實的確如此,在超過50年的時間內,電介質一直是天線設計一部份,它有助於形成並管理天線模式的電場。場能量以相當高的密度積聚並儲存在電介質內,所以,外部物體或具有相對較小的場效都不影響天線的原生共振。 , k+ N: S1 n" K! ^2 n/ U! j
) [8 F3 S/ i8 `當然,高相對介電常數只是基於電介質的天線取得成功的關鍵因素之一。材料還需要低電介損失(高Q材料)和低溫係數,以最小化可能導致失調的實體尺度變異。
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# r% L" L0 t8 G7 b' x! ?# j例如,英國Sarantel公司的Geohelix天線採用獨有的陶瓷材料和配置,與貼片狀和鞭狀天線相較,它具有將近場輻射減少最低90%的能力。受用戶手和身體影響的近場在Sarantel天線內幾乎是被完全封閉起來的。該天線可當作帶通濾波器使用,以抑制帶外訊號,並去除PCB或機殼上的接地。
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不再需要接地面是該設計具有平衡電流的結果,因為流進天線的電流總和為零,所以其共振獨立於PCB或封裝。與此相對,一個基於微帶的貼片或外接鞭狀天線需要一個接地面以取得共振,流進(或流出)天線的電流需在接地上產生一個互補電流,以達到共振。
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類似地,另一家英國公司Antenova擁有一種高電介質天線技術,它提供一種適用於全向、方向性甚至多頻帶應用、具有10GHz以上性能優勢的體積式非相互感應式天線。將這些元件整合起來可打造一款操控性極佳的智慧天線。目前,智慧天線正被廣泛用於基地台中,以擴充系統能力,並改進每次呼叫的性能。 % ]! p( \1 P7 ~
0 C: L8 `7 ~, F: N- s) `Antenova已開發出一種用於WLAN、涵蓋2.4∼2.5GHz和4.9∼5.9GHz雙頻段混合IEEE 802.11a/b/g天線,尺寸為4×4×20mm(圖3)。 ; G0 T: a" B( ?6 R4 a5 Q
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圖3:Antenova的高電介質混合天線在一個緊密封裝內提供多頻帶性能。
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該天線由三個元件組成:一條微帶饋線,它也與接至天線的1.2mm直徑、超小同軸電纜饋線匹配;一個發射元件,由1/4波長接地貼片天線和兩個共振器(每頻段一個)組成;以及一個陶瓷顆粒,它負責裝載發射元件並在發射元件和饋線間形成耦合。
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T0 \$ y j2 Q( M D6 o不同的方法 " n9 ?7 Z( k- i. V7 a
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不是所有的這些新天線都以陶瓷為核心。巴塞隆納的Fractus公司將基於不規則幾何學的幾何模式用於其封裝天線(antenna-in-package)設計中。該多頻帶天線能被印在底板上或嵌入晶片內。他們提供一種發射效率高於70%、峰值增益高於1dBi、VSWR低於1.5:1的GSM天線。該天線具有50歐姆不平衡阻抗,體積僅有10×10×0.9mm。
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4 f% o- k9 [2 z" ?. S另一家供應商Centurion Wireless Technology則提供一種能被附著在產品外殼內的微帶貼片天線。它可運作在2.4∼2.5GHz頻段、43×43×1.65mm大小。在工作頻帶內,該天線具有5.1dBi的增益和小於2.5:1的VSWR。Centurion相同頻帶的BlackChip表貼天線的增益大於2dBi、VSWR小於2:1,尺寸為8×6×2.4mm。
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