【无线射频天线】-便携无线产品中的小天线设计

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----便携无线产品中的小天线设计通常在进入设计周期末尾之前，天线设计不会引起太大留意。缘由或许就是由于它们是无源器件，在RF信号通路中所起的作用看来不大。也可能是由于设计师盼望他们始终有力量在剩余空间内配置天线设计和进行元件选择。还有可能是由于天线不是摩尔定律的受益者。

无论详细缘由何在，便携无线产品设计人员现如今都面临着很多新的工具、新的方法和新的元件，从而使得对抱负天线的追求又增加了新的折衷过程。在这个过程中，设计人员需要切切实实地在"造和买'之间作出困难取舍。与你必需花钱购买的有源器件不同，完全可能只以PCB上几平方厘米的代价免费制造一个天线。在很多状况下，这是一种有吸引力的可行选项。但在其它很多状况下，享用这种明显的"免费午餐'的成本太高。现在，一些更新的天线设计和器件的消失，使得设计师有了另一种选择。

小天线的世界

小天线在电气上的一般定义是：基本元件的尺度短于波长的1/10。对一个300MHz信号，定义上的阀值是10厘米；而在1GHz，该值仅为3厘米。

传统上，小天线仅能供应有限的性能。若你想要真正高效的天线性能，你需要将更多的金属伸向空中并采纳多种或外形简单的元件，以提升增益、掌握带宽、转变场型或抑制邻近信号。另外，你必需确保天线阻抗与RF前端相匹配，以使功率传输最大化。以蜂窝手机和Wi-Fi为代表的向更高频率RF转变的主要好处之一，是小天线在这些应用中具备电气可行性。

虽然天线"族谱'纷繁简单，但无论你使用基于PCB的天线还是分立天线，包含小天线的这个分支都需要在设计中很好地进行折衷处理。

PCB天线，既可以是小片或小环，可以是螺旋形或线形。它们的BOM成本可以忽视不计，只需要占用PCB空间。值得留意的是，某些PCB天线并非主电路板的一部分，而是作为器件，通常附在产品外壳里面。其性能还取决于布局、几何尺寸及其与四周元件的相对位置。另外，用户的手、身体或头部通常对天线性能产生不利影响。产品中元件或PCB布局的任何转变都将波及到天线性能。所以这种设计是受到限制的，而最终产品定型前的修改也意义不大。

另一方面，对天线的修改无论是为了迎合规范的变化或克服设计缺陷一旦被确定后都可快速执行，且不会对BOM产生影响。修改还会影响天线阻抗。所以，你或许还需要转变设计好的匹配电路。

相反，分立天线会涉及到BOM成本，且通常要由供应商依据特定的频段、带宽及其它性能参数进行特地设计。作为回报，这种天线比PCB天线占用更少的PCB空间，而且假如不是完全不受影响的话，PCB布局、接近器件或用户对其的影响也小得多。天线阻抗由物理设计所固定，所以匹配网络也被固定了，且与布局、器件摆放位置无关。这些因素使设计师不再面对某些挑战性约束，以及不用再重新设计PCB布局及计算BOM。

自己动手设计天线

对于通常基于PCB的小天线而言，有很多可能的设计方法。最常见的是采纳明线(也称为开口)结构(例如双极和单极天线)、环线设计(例如环状天线)，以及实心块设计。

开口天线实际上就是自无线电技术发轫之初就业已存在的大个天线的缩微版。实际上，因HeinrichHertz在其1888年的试验中采纳的就是双极天线，所以它有时又称为Hertz天线。它与地平面是平衡的，在有线和卫星电视消失前，它始终忠实履行着VHFTV兔耳天线的职责。

与双极相反，单极天线对地是单端的，所以需要一个地平面。在很多无线应用中，单极天线作为鞭状天线使用。它也被称作马可尼天线，在马可尼早期试验中用的就是这种天线。

图1：环形天线(a)易于实现。矩形块天线(b)使用规划得很好的PCB空间(它也可是一个分立器件)

在诸如UHFTV等批量市场使用的环形天线也有悠久历史。它的周长约等于能接收到信号的波长(见图1a)。从电气特性讲，矩形块天线是一个较宽的微带传输线，其长度是工作波长的一半。在图1b中，波长不是以真空中的传播计算的，而是以绝缘的PCB材料计算的。矩形块的共振频段相当窄，所以其工作带宽也相当窄约是标称中心频率的5%，该特性是好是坏，取决于详细应用。

全部这三类天线都可用PCB实现，且一个多层PCB能供应多个设计选择，包括作为某些结构所需的地平面。类似遥控开锁(RKE)以及车库开启器等对性能要求不苛刻的应用，采纳的就是这种天线设计。

因PCB天线的设计成本可忽视不计，那么是在什么时候又是由于什么使得它不是设计的优先选项呢？其中几个支配性因素与前端设计和实际实施有关。

首先，天线设计并不简洁。即使采纳类似数字电磁码(NumericalElectromagneticCode)这样的建模程序，电路或系统工程师对电磁世界也是生疏的。他们面对的是一个电磁场世界，而不是特定的电压和电流点或以固定回路流淌的电子流。

其次，与很多工程设计一样，类似中心频率、带宽、场模式、效率以及组织(lobe)和增益等相互竞争和冲突的属性使得它们之间的平衡取舍很困难。

第三，评估天线性能并不简单，它需要特别的测试仪器、无反射的腔室或开阔地带。它还需要时间、金钱和特地技能。另外，当评估用户的手对天线的影响，或相反、评估天线辐射对用户手的影响时，要进行正确的测试设置，包括对人的手和头的物理复制。

而且这些还都是理论上的。实际上，还有其它因素在起作用。天线当然占用了PCB空间，其性能属性受四周器件以及用户手、头和身体的显著影响。人体组织的相对介电常数是40，而PCB成分的介电常数约介于25到85，所以人体组织将激励共振元素并影响磁场。

另外，当为了多频带操作或外形多样性设计而需要多个天线时，若干基于PCB天线间以及天线和四周区域间的交感将令性能猜测特别困难，且其对微小的布局变化都敏感。

但也存在约束天线场特定汲取率(SAR)的规章。SAR是质量(本例的人体组织)汲取RF力量的比率；通常采纳两种方法对其进行测量：一是测由于汲取引起的温升；二是测模拟人体组织的流体的电场。联邦通信会(FCC)的网站上有更多信息。必需理解和分析天线的近场和远场性能，它们可能紧密相关。

最终，天线并非与无线设备的接收前端或放射功率功放级隔绝。电路设计师必需确定天线以及关联级的阻抗，然后设计出一个匹配网络以在整个目标带宽内最大化功率传输(见图2)。

图2：天线子系统包括前端接收放大器或放射放大器、匹配网络和天线本身。

这通常是一项困难的设计工作，涉及到专业计算和测量以及专用工具，例如就需要Smith圆图。

电介质成为天线设计一部分

幸运地是，材料科学和天线理论的进展为设计工程师在外接和基于PCB这两类天线之外，还供应了其它选择。这些天线将天线的体积效率最大化，同时克服或实际上消退了布局影响及匹配的不确定性。与此对比的是，块状和鞭状无线是二维的，其效能主要取决于所处空间而非体积。虽然分立天线切实增加了成本，但它们也经常在改善或保证产品性能的同时减小了尺寸。

听起来或许不合常理，作为绝缘体的电介质会在天线设计和实现中扮演着重要角色。但事实的确如此，在超过50年的时间内，电介质始终是天线设计的一部分，它有助于成型和管理天线模式电场。场能量以相当高的密度积聚并存储在电介质内，所以，外部物体或场具有相对小的影响且并不影响天线的固有共振。

当然，高相对介电常数只是基于电介质的天线取得胜利的关键因素之一。材料还需要低电介损失(高Q材料)和低温系数以最小化物理尺度变异，该变异可导致失(调)谐。

例如，英国Sarantel公司的Geohelix天线采纳独有的陶瓷材料和外形，与块状和鞭状天线相比，它具有将近场辐射削减最低90%的力量。受用户手和躯体影响的近场在Sarantel天线内几乎是被完全封闭起来的。该天线当带通滤波器使用，以抑制带外信号同时还去掉了做在PCB或机壳上的地平面。

不再需要地平面是该设计具有平衡电流的结果，因流进天线的电流总和为零，所以其共振于PCB或封装。与此相对，一个基于微带的块或外接鞭状天线需要一个地平面以取得共振，流进(或流出)天线的电流需要在地平面上生成一个互补电流，这样才能产生共振。

类似，另一家英国公司Antenova拥有一种高电介质天线技术，它供应一种适用于全向、有向甚至多带应用、具有10GHz以上频率响应特性优点的体积式非交感天线。这些高效器件对接近失谐和效应具有相对免疫力。将这些器件整合起来可打造一款具有极佳操控性的智能天线，智能天线被越来越多地用在基站中以扩充系统力量同时改进每个呼叫的性能。

例如，Antenova已开发出一种用于无线LAN、掩盖2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz双频段的双带混合IEEE802.11a/b/g天线，它具有4420mm的体积(见图3)。

图3：Antenova的高电介质混合天线在一个紧凑封装内供应多带性能

该天线有三个元件：一条微带馈线，它也与接至天线的1.2mm直径、超小同轴电缆馈线匹配；一个放射器件，由1/4波长地块和两个共振器(每频段一个)组成；及一个陶瓷颗粒，它负责激励放射元件并在放射元件和馈线间形成耦合。

不同的方法

不是全部的这些新天线都以陶瓷为核心。巴塞罗纳的Fractus公司将基于不规章碎片几何学的几何模式用于其封装天线(antenna-in-package)设计中。该多带天线能被印在衬底上或嵌入在芯片内。他们供应一种放射效率高于70%、峰值增益高于1dBi、VSWR低于1.5:1的GSM天线。该天线具有50欧姆不平衡阻抗，体积仅有10100.9mm。

作为来自同一家供应商CenturionWirelessTechnology(现LairdTechnologies的一部分)的块状和分立天线的一种对比，Centurion供应一种能被附着在产品外壳内的微带块天线。它工作在2.4到2.5GHz频段、43431.65mm大小。在工作频带内，该天