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在進入設計週期尾聲之前,天線設計通常不會引起太大的注意。或許因為它們是被動元件,因此對於RF訊號路徑不會造成什麼影響。或者可能是因為設計師一直希望他們總能夠在剩餘空間內配置天線設計與選擇元件;抑或是因為天線並非摩爾定律的受益者。 8 z. _- b) c, M& f$ k
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無論主要原因為何,追球理想天線的過程中,今天的可攜式無線產品設計人員都面臨著更多必須進行權衡折衷的新工具、新方法和新元件。在此過程中,設計人員必須在‘自製或購買’之間作出艱難的取捨。與必須花錢購買的主動元件不同,天線是一種可讓設計人員僅以幾平方公分的PCB為代價而免費獲得的。
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5 \/ d! c2 ^ l6 x, o7 A# f在許多情況下,這是一種有吸引力的可行性選項。但在更多其它情況下,享用這種明顯的‘免費午餐’成本太高。現在,一些新型天線設計和元件的問世,讓設計師有了另一種選擇。
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+ R9 I$ t' i, A, ~3 A小型天線的世界
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- I2 Y p a8 e: Y8 j B小型天線在電氣上的一般定義是天線單元須短於1/10。對一個300MHz訊號而言,定義上的閾值是10公分;而在1GHz,該值僅為3公分。
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' \6 G+ ?) T6 g' k傳統上,小型天線僅能提供有限性能。若你想要真正高效的天線,就必須將更多的金屬伸向空中並採用多種或形狀複雜的元件,以提升增益、控制頻寬或抑制鄰近訊號。另外,必須確保天線阻抗與RF前端匹配,以使功率轉換最大化。以蜂巢式手機和Wi-Fi應用為例,向更高頻率RF轉變的主要優勢之一是小型天線在這些應用中更具備電氣可靠性。
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雖然天線的‘族譜’相當複雜,但無論使用基於PCB的天線或分離式天線,包含小型天線的部份都必須在設計中良好地進行折衷處理。
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PCB天線可以是貼片、環形、螺旋形或線形。其BOM成本可忽略不計,只需佔用PCB空間。值得注意的是,某些PCB天線並非主電路板的一部份,而是通常附在產品外殼內的獨立元件。其性能還取決於佈局、幾何尺寸及其與附近元件的相對位置。另外,用戶的手、身體或頭通常會影響天線性能。產品中元件或PCB佈局的任何改變也將波及天線性能。所以這種設計是受到限制的,而預先修改事實上並不具意義。
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另一方面,無論是為了迎合規格變化或克服設計缺陷而對天線進行修改,一旦確定後都可迅速執行,且不會影響BOM。但修改會影響天線阻抗。因此設計人員也許需要改變設計好的匹配電路。 - S( z7 r! V/ Q' W* C7 ?- ]
9 {3 r& L5 E+ m% T9 F) G相反的,分離式天線會涉及BOM成本,且通常要由供應商根據特定的頻段、頻寬及其它性能參數進行專門設計。但這種天線佔用的板面積較PCB天線更少,且其PCB佈局、臨近元件或用戶對其的影響也小得多。天線阻抗取決於實際設計,因此匹配網路也被固定了,且與佈局、元件放置位置無關。這些因素使設計師免於某些挑戰的限制,而且不用再重新設計PCB佈局及計算BOM。 + p7 r3 R2 A* B
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自己動手設計天線 - S8 a: f3 T2 u9 W
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基於PCB的小型天線通常有多種設計方法。最常見的是採用明線(open-wire,也稱為開槽(open-ended))結構的偶極和單極天線、環形設計(如環狀天線),以及實心貼片的天線設計。
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* h& ^, J( }& ~! Z6 O5 K開槽天線是自無線電技術問世以來就存在的大型天線微縮版。事實上,由於Heinrich Hertz在1888年的實驗中採用的就是偶極天線,所以它有時又稱為Hertz天線。它與接地面平衡,在有線和衛星電視出現前,它一直忠實履行著VHF TV傳統兔耳型天線的職責。 , b/ w& J1 V) u0 X% {
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與偶極相反的單極天線則是單端對地,所以需要一個接地面。在許多無線應用中,單極天線作為鞭狀天線使用。它也被稱作馬可尼天線,馬可尼早期實驗中用的就是這種天線。 $ g/ X- z3 B& c, C# ~
' Q( b) }$ K& B {* F在諸如UHF TV等大量市場中使用的環形天線也有悠久歷史。其周長約等於能接收到訊號的波長(見圖1a)。從電氣特性來看,矩形貼片天線是一個較寬的微帶傳輸線,其長度是執行波長的一半。在圖1b中,波長不是以真空中的傳播計算,而是以絕緣的PCB材料計算的。矩形貼片天線的共振頻段相當窄,所以其執行頻寬也相當窄─大約是一般中心頻率的5%,該特性的好壞取決於具體應用。 ; E9 w+ o D* H( A+ B, v- T
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圖1:環形天線(a)易於實現。矩形貼片天線(b)使用規劃良好的PCB空間(它也可是一個分離式元件)。 |
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