可攜式無線產品中的小型天線設計

小朱仔

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。

( U! |! H5 C" X* D) _8 b! r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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+ F6 a$ j  A$ ]' C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。

0 ^) _% X3 [) `4 H小型天線的世界
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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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4 |* I/ F# F# m& T' W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。

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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- y! R7 ^( H1 i" F$ ^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。

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。

" z1 \3 G  w- k4 t/ X自己動手設計天線
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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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- ?4 U8 S4 Z; g3 W' y4 ?3 u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。
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9 X* Q/ o! R: V2 v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。
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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。


* {7 h' k. B1 d- J$ [$ H9 O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)。

小朱仔

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。

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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; h8 h+ t: Y0 a' ]( R# x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。

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。

) I% _; p$ M. m7 \2 Q, s; ~! C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。

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。

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。

/ P2 q& c! z: a) D) n5 `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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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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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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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。

電介質成為天線設計一部份

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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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。
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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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$ p0 j; H3 e6 t$ ^# W, {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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  b) Q3 Q! X$ ], L% g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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  r- h. `8 I$ o# O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。
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2 B' N* d2 k$ L' d+ `$ |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)。

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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。

8 D* t: I" N, Z2 G! y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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不同的方法
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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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9 O0 Q" h, R5 B6 H0 }4 ?* e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。

: S! v9 Y5 \. t, I. ]/ n轉載於電子工程專輯

ptl

受益良多!
甘恩!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

[ 本帖最後由 ptl 於 2009-7-19 08:08 PM 編輯 ]