便攜無線產(chǎn)品中的小天線設計

便攜無線產(chǎn)品中的小天線設計

通常在進入設計周期末尾之前，天線設計不會引起太大注意。原因或許就是因為它們是無源器件，在RF信號通路中所起的作用看來不大。也可能是是因為設計師希望他們一直有能力在剩余空間內(nèi)配置天線設計和進行元件選擇。還有可能是因為天線不是摩爾定律的受益者。

無論具體原因何在，便攜無線產(chǎn)品設計人員現(xiàn)如今都面臨著許多新的工具、新的方法和新的元件，從而使得對理想天線的追求又增添了新的折衷過程。在這個過程中，設計人員需要切切實實地在“造和買”之間作出艱難取舍。與你必須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制造一個天線。在許多情況下，這是一種有吸引力的可行選項。但在其它許多情況下，享用這種明顯的“免費午餐”的成本太高?，F(xiàn)在，一些更新的天線設計和器件的出現(xiàn)，使得設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，小天線僅能提供有限的性能。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用多種或形狀復雜的元件，以提升增益、控制帶寬、改變場型或抑制鄰近信號。另外，你必須確保天線阻抗與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，是小天線在這些應用中具備電氣可行性。

雖然天線“族譜”紛繁復雜，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計中很好地進行折衷處理。

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成本可以忽略不計，只需要占用PCB空間。值得注意的是，某些PCB天線并非主電路板的一部分，而是作為獨立器件，通常附在產(chǎn)品外殼里面。其性能還取決于布局、幾何尺寸及其與附近元件的相對位置。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布局的任何改變都將波及到天線性能。所以這種設計是受到限制的，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)范的變化或克服設計缺陷——一旦被確定后都可迅速執(zhí)行，且不會對BOM產(chǎn)生影響。修改還會影響天線阻抗。所以，你也許還需要改變設計好的匹配電路。

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

自己動手設計天線

對于通?；赑CB的小天線而言，有許多可能的設計方法。最常見的是采用明線(也稱為開口)結(jié)構(gòu)(例如雙極和單極天線)、環(huán)線設計(例如環(huán)狀天線)，以及實心塊設計。

開口天線實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。實際上，因Heinrich Hertz在其1888年的實驗中采用的就是雙極天線，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)星電視出現(xiàn)前，它一直忠實履行著VHF TV兔耳天線的職責。

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，在馬可尼早期實驗中用的就是這種天線。

圖1：環(huán)形天線(a)易于實現(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UHF TV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窄，所以其工作帶寬也相當窄——約是標稱中心頻率的5%，該特性是好是壞，取決于具體應用。

所有這三類天線都可用PCB實現(xiàn)，且一個多層PCB能提供多個設計選擇，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用，采用的就是這種天線設計。

因PCB天線的設計成本可忽略不計，那么是在什么時候又是因為什么使得它不是設計的優(yōu)先選項呢？其中幾個支配性因素與前端設計和實際實施有關。

首先，天線設計并不簡單。即使采用類似數(shù)字電磁碼(Numerical Electromagnetic Code)這樣的建模程序，電路或系統(tǒng)工程師對電磁世界也是陌生的。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或以固定回路流動的電子流。

其次，與許多工程設計一樣，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，評估天線性能并不容易，它需要特殊的測試儀器、無反射的腔室或開闊地帶。它還需要時間、金錢和專門技能。另外，當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，要進行正確的測試設置，包括對人的手和頭的物理復制。

而且這些還都是理論上的。實際上，還有其它因素在起作用。天線當然占用了PCB空間，其性能屬性受附近器件以及用戶手、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，當為了多頻帶操作或形狀多樣性設計而需要多個天線時，若干基于PCB天線間以及天線和附近區(qū)域間的交感將令性能預測非常困難，且其對細微的布局變化都敏感。

但也存在約束天線場特定吸收率(SAR)的規(guī)則。SAR是質(zhì)量(本例的人體組織)吸收RF能力的比率；通常采用兩種方法對其進行測量：一是測由于吸收引起的溫升；二是測模擬人體組織的流體的電場。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的網(wǎng)站上有更多信息。必須理解和分析天線的近場和遠場性能，它們可能緊密相關。

最后，天線并非與無線設備的接收前端或發(fā)射功率功放級隔絕獨立。電路設計師必須確定天線以及關聯(lián)級的阻抗，然后設計出一個匹配網(wǎng)絡以在整個目標帶寬內(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發(fā)射放大器、匹配網(wǎng)絡和天線本身。

這通常是一項困難的設計工作，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)成為天線設計一部分

幸運地是，材料科學和天線理論的發(fā)展為設計工程師在外接和基于PCB這兩類天線之外，還提供了其它選擇。這些天線將天線的體積效率最大化，同時克服或?qū)嶋H上消除了布局影響及匹配的不確定性。與此對照的是，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。雖然分立天線切實增加了成本，但它們也常常在改善或保證產(chǎn)品性能的同時減小了尺寸。

聽起來也許不合常理，作為絕緣體的電介質(zhì)會在天線設計和實現(xiàn)中扮演著重要角色。但事實的確如此，在超過50年的時間內(nèi)，電介質(zhì)一直是天線設計的一部分，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。

當然，高相對介電常數(shù)只是基于電介質(zhì)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)和低溫系數(shù)以最小化物理尺度變異，該變異可導致失(調(diào))諧。

例如，英國Sarantel公司的Geohelix天線采用獨有的陶瓷材料和形狀，與塊狀和鞭狀天線相比，它具有將近場輻射減少最低90%的能力。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或機殼上的地平面。

不再需要地平面是該設計具有平衡電流的結(jié)果，因流進天線的電流總和為零，所以其共振獨立于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(或流出)天線的電流需要在地平面上生成一個互補電流，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)，它提供一種適用于全向、有向甚至多帶應用、具有10GHz以上頻率響應特性優(yōu)點的體積式非交感天線。這些高效器件對接近失諧和效應具有相對免疫力。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充系統(tǒng)能力同時改進每個呼叫的性能。

例如，Antenova已開發(fā)出一種用于無線LAN、覆蓋2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz雙頻段的雙帶混合IEEE 802.11a/b/g天線，它具有4×4×20mm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)提供多帶性能

不同的方法

不是所有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)則碎片幾何學的幾何模式用于其封裝天線(antenna-in-package)設計中。該多帶天線能被印在襯底上或嵌入在芯片內(nèi)。他們提供一種發(fā)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10×10×0.9mm。

作為來自同一家供應商Centurion Wireless Technology(現(xiàn)Laird Technologies的一部分)的塊狀和分立天線的一種對比，Centurion提供一種能被附著在產(chǎn)品外殼內(nèi)的微帶塊天線。它工作在2.4到2.5GHz頻段、43×43×1.65mm大小。在工作頻帶內(nèi)，該天線具有5.1dBi的增益和小于2.5:1的VSWR。Centurion相同頻帶的BlackChip表貼天線的增益大于2dBi、VSWR小于2:1、8×6×2.4mm大小。

大多關于天線設計的書籍充斥著難以用于實際設計的復雜理論和公式。但這種現(xiàn)象主要還是源于天線問題的本來特性而不是作者刻意要顯得晦澀高深。由Newnes/Elsevier出版的Douglas B. Miron寫的《小天線設計》是一本覆蓋了理論、模擬和設計的參考資料。