【無線射頻天線】-便攜無線產(chǎn)品中的小天線設(shè)計

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----便攜無線產(chǎn)品中的小天線設(shè)計通常在進(jìn)入設(shè)計周期末尾之前，天線設(shè)計不會引起太大留意。緣由或許就是由于它們是無源器件，在RF信號通路中所起的作用看來不大。也可能是由于設(shè)計師盼望他們始終有力量在剩余空間內(nèi)配置天線設(shè)計和進(jìn)行元件選擇。還有可能是由于天線不是摩爾定律的受益者。

無論詳細(xì)緣由何在，便攜無線產(chǎn)品設(shè)計人員現(xiàn)如今都面臨著很多新的工具、新的方法和新的元件，從而使得對抱負(fù)天線的追求又增加了新的折衷過程。在這個過程中，設(shè)計人員需要切切實(shí)實(shí)地在"造和買'之間作出困難取舍。與你必需花錢購買的有源器件不同，完全可能只以PCB上幾平方厘米的代價免費(fèi)制造一個天線。在很多狀況下，這是一種有吸引力的可行選項(xiàng)。但在其它很多狀況下，享用這種明顯的"免費(fèi)午餐'的成本太高?，F(xiàn)在，一些更新的天線設(shè)計和器件的消失，使得設(shè)計師有了另一種選擇。

小天線的世界

小天線在電氣上的一般定義是：基本元件的尺度短于波長的1/10。對一個300MHz信號，定義上的閥值是10厘米；而在1GHz，該值僅為3厘米。

傳統(tǒng)上，小天線僅能供應(yīng)有限的性能。若你想要真正高效的天線性能，你需要將更多的金屬伸向空中并采納多種或外形簡單的元件，以提升增益、掌握帶寬、轉(zhuǎn)變場型或抑制鄰近信號。另外，你必需確保天線阻抗與RF前端相匹配，以使功率傳輸最大化。以蜂窩手機(jī)和Wi-Fi為代表的向更高頻率RF轉(zhuǎn)變的主要好處之一，是小天線在這些應(yīng)用中具備電氣可行性。

雖然天線"族譜'紛繁簡單，但無論你使用基于PCB的天線還是分立天線，包含小天線的這個分支都需要在設(shè)計中很好地進(jìn)行折衷處理。

PCB天線，既可以是小片或小環(huán)，可以是螺旋形或線形。它們的BOM成本可以忽視不計，只需要占用PCB空間。值得留意的是，某些PCB天線并非主電路板的一部分，而是作為器件，通常附在產(chǎn)品外殼里面。其性能還取決于布局、幾何尺寸及其與四周元件的相對位置。另外，用戶的手、身體或頭部通常對天線性能產(chǎn)生不利影響。產(chǎn)品中元件或PCB布局的任何轉(zhuǎn)變都將波及到天線性能。所以這種設(shè)計是受到限制的，而最終產(chǎn)品定型前的修改也意義不大。

另一方面，對天線的修改無論是為了迎合規(guī)范的變化或克服設(shè)計缺陷一旦被確定后都可快速執(zhí)行，且不會對BOM產(chǎn)生影響。修改還會影響天線阻抗。所以，你或許還需要轉(zhuǎn)變設(shè)計好的匹配電路。

相反，分立天線會涉及到BOM成本，且通常要由供應(yīng)商依據(jù)特定的頻段、帶寬及其它性能參數(shù)進(jìn)行特地設(shè)計。作為回報，這種天線比PCB天線占用更少的PCB空間，而且假如不是完全不受影響的話，PCB布局、接近器件或用戶對其的影響也小得多。天線阻抗由物理設(shè)計所固定，所以匹配網(wǎng)絡(luò)也被固定了，且與布局、器件擺放位置無關(guān)。這些因素使設(shè)計師不再面對某些挑戰(zhàn)性約束，以及不用再重新設(shè)計PCB布局及計算BOM。

自己動手設(shè)計天線

對于通常基于PCB的小天線而言，有很多可能的設(shè)計方法。最常見的是采納明線(也稱為開口)結(jié)構(gòu)(例如雙極和單極天線)、環(huán)線設(shè)計(例如環(huán)狀天線)，以及實(shí)心塊設(shè)計。

開口天線實(shí)際上就是自無線電技術(shù)發(fā)軔之初就業(yè)已存在的大個天線的縮微版。實(shí)際上，因HeinrichHertz在其1888年的試驗(yàn)中采納的就是雙極天線，所以它有時又稱為Hertz天線。它與地平面是平衡的，在有線和衛(wèi)星電視消失前，它始終忠實(shí)履行著VHFTV兔耳天線的職責(zé)。

與雙極相反，單極天線對地是單端的，所以需要一個地平面。在很多無線應(yīng)用中，單極天線作為鞭狀天線使用。它也被稱作馬可尼天線，在馬可尼早期試驗(yàn)中用的就是這種天線。

圖1：環(huán)形天線(a)易于實(shí)現(xiàn)。矩形塊天線(b)使用規(guī)劃得很好的PCB空間(它也可是一個分立器件)

在諸如UHFTV等批量市場使用的環(huán)形天線也有悠久歷史。它的周長約等于能接收到信號的波長(見圖1a)。從電氣特性講，矩形塊天線是一個較寬的微帶傳輸線，其長度是工作波長的一半。在圖1b中，波長不是以真空中的傳播計算的，而是以絕緣的PCB材料計算的。矩形塊的共振頻段相當(dāng)窄，所以其工作帶寬也相當(dāng)窄約是標(biāo)稱中心頻率的5%，該特性是好是壞，取決于詳細(xì)應(yīng)用。

全部這三類天線都可用PCB實(shí)現(xiàn)，且一個多層PCB能供應(yīng)多個設(shè)計選擇，包括作為某些結(jié)構(gòu)所需的地平面。類似遙控開鎖(RKE)以及車庫開啟器等對性能要求不苛刻的應(yīng)用，采納的就是這種天線設(shè)計。

因PCB天線的設(shè)計成本可忽視不計，那么是在什么時候又是由于什么使得它不是設(shè)計的優(yōu)先選項(xiàng)呢？其中幾個支配性因素與前端設(shè)計和實(shí)際實(shí)施有關(guān)。

首先，天線設(shè)計并不簡潔。即使采納類似數(shù)字電磁碼(NumericalElectromagneticCode)這樣的建模程序，電路或系統(tǒng)工程師對電磁世界也是生疏的。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(diǎn)或以固定回路流淌的電子流。

其次，與很多工程設(shè)計一樣，類似中心頻率、帶寬、場模式、效率以及組織(lobe)和增益等相互競爭和沖突的屬性使得它們之間的平衡取舍很困難。

第三，評估天線性能并不簡單，它需要特別的測試儀器、無反射的腔室或開闊地帶。它還需要時間、金錢和特地技能。另外，當(dāng)評估用戶的手對天線的影響，或相反、評估天線輻射對用戶手的影響時，要進(jìn)行正確的測試設(shè)置，包括對人的手和頭的物理復(fù)制。

而且這些還都是理論上的。實(shí)際上，還有其它因素在起作用。天線當(dāng)然占用了PCB空間，其性能屬性受四周器件以及用戶手、頭和身體的顯著影響。人體組織的相對介電常數(shù)是40，而PCB成分的介電常數(shù)約介于25到85，所以人體組織將激勵共振元素并影響磁場。

另外，當(dāng)為了多頻帶操作或外形多樣性設(shè)計而需要多個天線時，若干基于PCB天線間以及天線和四周區(qū)域間的交感將令性能猜測特別困難，且其對微小的布局變化都敏感。

但也存在約束天線場特定汲取率(SAR)的規(guī)章。SAR是質(zhì)量(本例的人體組織)汲取RF力量的比率；通常采納兩種方法對其進(jìn)行測量：一是測由于汲取引起的溫升；二是測模擬人體組織的流體的電場。聯(lián)邦通信會(FCC)的網(wǎng)站上有更多信息。必需理解和分析天線的近場和遠(yuǎn)場性能，它們可能緊密相關(guān)。

最終，天線并非與無線設(shè)備的接收前端或放射功率功放級隔絕。電路設(shè)計師必需確定天線以及關(guān)聯(lián)級的阻抗，然后設(shè)計出一個匹配網(wǎng)絡(luò)以在整個目標(biāo)帶寬內(nèi)最大化功率傳輸(見圖2)。

圖2：天線子系統(tǒng)包括前端接收放大器或放射放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線本身。

這通常是一項(xiàng)困難的設(shè)計工作，涉及到專業(yè)計算和測量以及專用工具，例如就需要Smith圓圖。

電介質(zhì)成為天線設(shè)計一部分

幸運(yùn)地是，材料科學(xué)和天線理論的進(jìn)展為設(shè)計工程師在外接和基于PCB這兩類天線之外，還供應(yīng)了其它選擇。這些天線將天線的體積效率最大化，同時克服或?qū)嶋H上消退了布局影響及匹配的不確定性。與此對比的是，塊狀和鞭狀無線是二維的，其效能主要取決于所處空間而非體積。雖然分立天線切實(shí)增加了成本，但它們也經(jīng)常在改善或保證產(chǎn)品性能的同時減小了尺寸。

聽起來或許不合常理，作為絕緣體的電介質(zhì)會在天線設(shè)計和實(shí)現(xiàn)中扮演著重要角色。但事實(shí)的確如此，在超過50年的時間內(nèi)，電介質(zhì)始終是天線設(shè)計的一部分，它有助于成型和管理天線模式電場。場能量以相當(dāng)高的密度積聚并存儲在電介質(zhì)內(nèi)，所以，外部物體或場具有相對小的影響且并不影響天線的固有共振。

當(dāng)然，高相對介電常數(shù)只是基于電介質(zhì)的天線取得勝利的關(guān)鍵因素之一。材料還需要低電介損失(高Q材料)和低溫系數(shù)以最小化物理尺度變異，該變異可導(dǎo)致失(調(diào))諧。

例如，英國Sarantel公司的Geohelix天線采納獨(dú)有的陶瓷材料和外形，與塊狀和鞭狀天線相比，它具有將近場輻射削減最低90%的力量。受用戶手和軀體影響的近場在Sarantel天線內(nèi)幾乎是被完全封閉起來的。該天線當(dāng)帶通濾波器使用，以抑制帶外信號同時還去掉了做在PCB或機(jī)殼上的地平面。

不再需要地平面是該設(shè)計具有平衡電流的結(jié)果，因流進(jìn)天線的電流總和為零，所以其共振于PCB或封裝。與此相對，一個基于微帶的塊或外接鞭狀天線需要一個地平面以取得共振，流進(jìn)(或流出)天線的電流需要在地平面上生成一個互補(bǔ)電流，這樣才能產(chǎn)生共振。

類似，另一家英國公司Antenova擁有一種高電介質(zhì)天線技術(shù)，它供應(yīng)一種適用于全向、有向甚至多帶應(yīng)用、具有10GHz以上頻率響應(yīng)特性優(yōu)點(diǎn)的體積式非交感天線。這些高效器件對接近失諧和效應(yīng)具有相對免疫力。將這些器件整合起來可打造一款具有極佳操控性的智能天線，智能天線被越來越多地用在基站中以擴(kuò)充系統(tǒng)力量同時改進(jìn)每個呼叫的性能。

例如，Antenova已開發(fā)出一種用于無線LAN、掩蓋2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz雙頻段的雙帶混合IEEE802.11a/b/g天線，它具有4420mm的體積(見圖3)。

圖3：Antenova的高電介質(zhì)混合天線在一個緊湊封裝內(nèi)供應(yīng)多帶性能

該天線有三個元件：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；一個放射器件，由1/4波長地塊和兩個共振器(每頻段一個)組成；及一個陶瓷顆粒，它負(fù)責(zé)激勵放射元件并在放射元件和饋線間形成耦合。

不同的方法

不是全部的這些新天線都以陶瓷為核心。巴塞羅納的Fractus公司將基于不規(guī)章碎片幾何學(xué)的幾何模式用于其封裝天線(antenna-in-package)設(shè)計中。該多帶天線能被印在襯底上或嵌入在芯片內(nèi)。他們供應(yīng)一種放射效率高于70%、峰值增益高于1dBi、VSWR低于1.5:1的GSM天線。該天線具有50歐姆不平衡阻抗，體積僅有10100.9mm。

作為來自同一家供應(yīng)商CenturionWirelessTechnology(現(xiàn)LairdTechnologies的一部分)的塊狀和分立天線的一種對比，Centurion供應(yīng)一種能被附著在產(chǎn)品外殼內(nèi)的微帶塊天線。它工作在2.4到2.5GHz頻段、43431.65mm大小。在工作頻帶內(nèi)，該天