便攜無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中的小天線(xiàn)的設計

通常在進(jìn)入設計周期末尾之前，天線(xiàn)設計不會(huì )引起太大注意。原因或許就是因為它們是無(wú)源器件，在RF信號通路中所起的作用看來(lái)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配置天線(xiàn)設計和進(jìn)行元件選擇。還有可能是因為天線(xiàn)不是摩爾定律的受益者。

無(wú)論具體原因何在，便攜無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計人員現如今都面臨著(zhù)許多新的工具、新的方法和新的元件，從而使得對理想天線(xiàn)的追求又增添了新的折衷過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，設計人員需要切切實(shí)實(shí)地在“造和買(mǎi)”之間作出艱難取舍。與你必須花錢(qián)購買(mǎi)的有源器件不同，完全可能只以PCB上幾平方厘米的代價(jià)免費制造一個(gè)天線(xiàn)。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在，一些更新的天線(xiàn)設計和器件的出現，使得設計師有了另一種選擇。

小天線(xiàn)的世界

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

傳統上，小天線(xiàn)僅能提供有限的性能。若你想要真正高效的天線(xiàn)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(chǎng)型或抑制鄰近信號。另外，你必須確保天線(xiàn)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轉變的主要好處之一，是小天線(xiàn)在這些應用中具備電氣可行性。

雖然天線(xiàn)“族譜”紛繁復雜，但無(wú)論你使用基于PCB的天線(xiàn)還是分立天線(xiàn)，包含小天線(xiàn)的這個(gè)分支都需要在設計中很好地進(jìn)行折衷處理。

PCB天線(xiàn)，既可以是小片或小環(huán)，可以是螺旋形或線(xiàn)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(xiàn)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(hù)的手、身體或頭部通常對天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的修改——無(wú)論是為了迎合規范的變化或克服設計缺陷——一旦被確定后都可迅速執行，且不會(huì )對BOM產(chǎn)生影響。修改還會(huì )影響天線(xiàn)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(xiàn)會(huì )涉及到BOM成本，且通常要由供應商根據特定的頻段、帶寬及其它性能參數進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計。作為回報，這種天線(xiàn)比PCB天線(xiàn)占用更少的PCB空間，而且如果不是完全不受影響的話(huà)，PCB布局、臨近器件或用戶(hù)對其的影響也小得多。天線(xiàn)阻抗由物理設計所固定，所以匹配網(wǎng)絡(luò )也被固定了，且與布局、器件擺放位置無(wú)關(guān)。這些因素使設計師不再面對某些挑戰性約束，以及不用再重新設計PCB布局及計算BOM。

自己動(dòng)手設計天線(xiàn)

對于通?；赑CB的小天線(xiàn)而言，有許多可能的設計方法。最常見(jiàn)的是采用明線(xiàn)(也稱(chēng)為開(kāi)口)結構(例如雙極和單極天線(xiàn))、環(huán)線(xiàn)設計(例如環(huán)狀天線(xiàn))，以及實(shí)心塊設計。

開(kāi)口天線(xiàn)實(shí)際上就是自無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)軔之初就業(yè)已存在的大個(gè)天線(xiàn)的縮微版。實(shí)際上，因Heinrich Hertz在其1888年的實(shí)驗中采用的就是雙極天線(xiàn)，所以它有時(shí)又稱(chēng)為Hertz天線(xiàn)。它與地平面是平衡的，在有線(xiàn)和衛星電視出現前，它一直忠實(shí)履行著(zhù)VHF TV兔耳天線(xiàn)的職責。

與雙極相反，單極天線(xiàn)對地是單端的，所以需要一個(gè)地平面。在許多無(wú)線(xiàn)應用中，單極天線(xiàn)作為鞭狀天線(xiàn)使用。它也被稱(chēng)作馬可尼天線(xiàn)，在馬可尼早期實(shí)驗中用的就是這種天線(xiàn)。

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

在諸如UHF TV等批量市場(chǎng)使用的環(huán)形天線(xiàn)也有悠久歷史。它的周長(cháng)約等于能接收到信號的波長(cháng)(見(jiàn)圖1a)。從電氣特性講，矩形塊天線(xiàn)是一個(gè)較寬的微帶傳輸線(xiàn)，其長(cháng)度是工作波長(cháng)的一半。在圖1b中，波長(cháng)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(chēng)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(lèi)天線(xiàn)都可用PCB實(shí)現，且一個(gè)多層PCB能提供多個(gè)設計選擇，包括作為某些結構所需的地平面。類(lèi)似遙控開(kāi)鎖(RKE)以及車(chē)庫開(kāi)啟器等對性能要求不苛刻的應用，采用的就是這種天線(xiàn)設計。

因PCB天線(xiàn)的設計成本可忽略不計，那么是在什么時(shí)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(gè)支配性因素與前端設計和實(shí)際實(shí)施有關(guān)。

首先，天線(xiàn)設計并不簡(jiǎn)單。即使采用類(lèi)似數字電磁碼(Numerical Electromagnetic Code)這樣的建模程序，電路或系統工程師對電磁世界也是陌生的。他們面對的是一個(gè)電磁場(chǎng)世界，而不是特定的電壓和電流點(diǎn)或以固定回路流動(dòng)的電子流。

其次，與許多工程設計一樣，類(lèi)似中心頻率、帶寬、場(chǎng)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(xiàn)性能并不容易，它需要特殊的測試儀器、無(wú)反射的腔室或開(kāi)闊地帶。它還需要時(shí)間、金錢(qián)和專(zhuān)門(mén)技能。另外，當評估用戶(hù)的手對天線(xiàn)的影響，或相反、評估天線(xiàn)輻射對用戶(hù)手的影響時(shí)，要進(jìn)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(shí)際上，還有其它因素在起作用。天線(xiàn)當然占用了PCB空間，其性能屬性受附近器件以及用戶(hù)手、頭和身體的顯著(zhù)影響。人體組織的相對介電常數是40，而PCB成分的介電常數約介于25到85，所以人體組織將激勵共振元素并影響磁場(chǎng)。

另外，當為了多頻帶操作或形狀多樣性設計而需要多個(gè)天線(xiàn)時(shí)，若干基于PCB天線(xiàn)間以及天線(xiàn)和附近區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(xiàn)場(chǎng)特定吸收率(SAR)的規則。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(jìn)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(chǎng)。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)的網(wǎng)站上有更多信息。必須理解和分析天線(xiàn)的近場(chǎng)和遠場(chǎng)性能，它們可能緊密相關(guān)。

最后，天線(xiàn)并非與無(wú)線(xiàn)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(xiàn)以及關(guān)聯(lián)級的阻抗，然后設計出一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )以在整個(gè)目標帶寬內最大化功率傳輸(見(jiàn)圖2)。

圖2：天線(xiàn)子系統包括前端接收放大器或發(fā)射放大器、匹配網(wǎng)絡(luò )和天線(xiàn)本身。

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