移動(dòng)終端的天線(xiàn)設計技巧

移動(dòng)終端幾乎都是使用小型天線(xiàn)，它的缺點(diǎn)是低效率、窄頻寬，為了確保天線(xiàn)的性能，因此天線(xiàn)小型化有一定的極限，然而如此一來(lái)卻違背移動(dòng)終端小型化的時(shí)代趨勢。所幸的是天線(xiàn)使用的元件大多是可以創(chuàng )造空間的導體，若與波長(cháng)比較的話(huà)，只要導體具備一定大小，基本上就可以當作高天線(xiàn)使用，例如類(lèi)似移動(dòng)終端外殼等結構就符合以上條件（圖1）。

　　目前移動(dòng)終端使用頻率大多介于800mMHz～2GHz之間，波長(cháng)相當于150～350nm左右，因此100～200mm的終端尺寸對小型天線(xiàn)非常有利，也就是說(shuō)只要巧妙應用移動(dòng)終端的機殼，就可以獲得小型、高性能的天線(xiàn)功能，有鑒于此本文以移動(dòng)終端的機殼當作天線(xiàn)使用為例，依序介紹地表數位播放用天線(xiàn)與PDC（Personal;DigitalCellular）用Diversity天線(xiàn)的設計技巧。

　　移動(dòng)終端天線(xiàn)的特征

　　如上所述低效率、窄頻寬是一般小型天線(xiàn)的主要缺點(diǎn)。天線(xiàn)的比頻寬（以中心頻率制定的頻率范圍）與天線(xiàn)大小有密切關(guān)系，小型天線(xiàn)的頻寬則與天線(xiàn)的體積呈比例關(guān)系。天線(xiàn)的效率可以用下式表示：

　　η=Pr/（Pr+Pd）

　　η：天線(xiàn)的效率。

　　Pr：放射功率。

　　Pd：損失功率。

　　由上式可知如果縮任意小天線(xiàn)大小的話(huà)，Pr會(huì )比Pd小導致放射效率大幅降低，這種現象尤其是天線(xiàn)附近的電磁界更加明顯。圖2是提供相同電力給兩種天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)附近的實(shí)際電界分布狀態(tài)，圖中的單極（Monopole）天線(xiàn)高度為λ/4（此處λ表示天線(xiàn)頻率的對應波長(cháng)）屬于中等大小天線(xiàn)，此時(shí)單極天線(xiàn)最大強度大約是-20dB；相較之下逆F天線(xiàn)的高度為λ/10屬於小型天線(xiàn)，此時(shí)F天線(xiàn)最大強度則只有0dB，由此可知即使相同電力隨著(zhù)天線(xiàn)大小的差異，天線(xiàn)附近的電界（電壓）分布狀態(tài)則截然不同，同樣的磁界亦即電流強度也不相同。對小型天線(xiàn)而言構成天線(xiàn)的導體與天線(xiàn)周?chē)目臻g，若是屬于有耗損性的媒體時(shí)，會(huì )就導致極大的電力（功率）損失，相對的效率也會(huì )急遽劣化。

　　天線(xiàn)的等化G與物理長(cháng)度L可以用下式表示：G=8log（2L/λ）（dBd）（dBd）為接收電波時(shí)的強度（與半波長(cháng)Dipole比較）指標。此處若將頻率為/20nm移動(dòng)終端的天線(xiàn)等化代入上式，可以求得-7.7dB左右的（理論）效率，然而實(shí)際上移動(dòng)終端的效率大約只有-1dB。

　　圖3是移動(dòng)終端周?chē)碾娊绶植紶顟B(tài)，由圖可知若對天線(xiàn)施加脈沖電界，天線(xiàn)周?chē)碾娊鐣?huì )隨時(shí)間改變，例如右圖的電界強度除了天線(xiàn)之外，機殼本體的電界強度也會(huì )隨時(shí)間改變增大，換句話(huà)說(shuō)只要巧妙應用移動(dòng)終端機殼的電波放射特性，即使小型天線(xiàn)也可以獲得預期的效果。

　　一般數位地表波播送使用波長(cháng)為400~600nmUHF（UltraHighFrequency）的頻寬，然而實(shí)際上物理特性上限制，使得一般傳統移動(dòng)終端得天線(xiàn)不容易小型化，因此將移動(dòng)終端機殼的改成抽取或是折疊設計，形成如圖4右側直接激振天線(xiàn)。

　　接著(zhù)在波暗室內實(shí)際測試上述兩種天線(xiàn)的水平面內放射pattern，必需注意的是天線(xiàn)的特性極易受到包含人體在內使用環(huán)境的影響，因此測試時(shí)被測天線(xiàn)必需遠離人體，此外電波幾乎是從水平方向入射，所以本測試是以水平面內的放射pattern作為討論對象。

　　圖5是各天線(xiàn)在波暗室內測試獲得的結果；表1以Dipole天線(xiàn)作比較基準時(shí)的等化平均值，由表1的計算結果可知傳統Monopole天線(xiàn)與Dipole天線(xiàn)具備-2.5~2.8dB相同程度的平均等化值。