如何為手持設備選擇合適的天線(xiàn)?
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天線(xiàn)是影響所有無(wú)線(xiàn)通信系統可靠性和性能的眾多因素中很關(guān)鍵的一個(gè)。選擇能完全滿(mǎn)足系統性能指標的天線(xiàn)是非常重要的。
然而，現今的小型手持設備也給天線(xiàn)設計工程師帶來(lái)了挑戰，天線(xiàn)要盡量薄、結構要緊湊、性能要高，而且還要滿(mǎn)足各種各樣的技術(shù)標準。面市時(shí)間和成本也是制造商要考慮的兩個(gè)重要因素。
為系統選擇最好的天線(xiàn)的兩個(gè)主要條件是天線(xiàn)的電氣和機械特性。這些指標受設備的設計和機械結構所限制。
基本的電氣特性
應該考慮的基本電氣特性是天線(xiàn)的工作頻率、帶寬、最大增益、平均增益、效率、回波損耗，或者電壓駐波比(VSWR)，以及極化方向、指向性、副瓣和后瓣輻射強度、前后比、相位方向圖、阻抗和額定功率。天線(xiàn)的構成材料和實(shí)際的射頻RF設計也決定了天線(xiàn)的最終電氣性能。天線(xiàn)的構成材料應該有很低的損耗和很好的傳導率。
工作頻率
工作頻率的范圍由應用的類(lèi)型決定。例如，Wi-Fi 802.11b/g、ZigBee和BlueTooth都使用相同的2.4GHz ISM頻段，該頻段的帶寬大約是80MHz(2.4～2.48GHz)。商業(yè)GPS系統使用L1 1.575GHz頻段，其帶寬為2MHz(1575.42MHz1MHz)。
GSM系統使用850/1900MHz頻段，或者900/1800MHz頻段，具體采用哪個(gè)頻段取決于相應地區的運營(yíng)商。3G系統也使用不同的頻段，也是與地區相關(guān)的。例如，歐洲的WCDMA系統使用2.1GHz頻段。
四或五頻段移動(dòng)電話(huà)的天線(xiàn)主要用于全球漫游，以及實(shí)現不同通信體制間的通信，如圖1所示。它們可以在四頻段GSM系統和W-CDMA2100系統中收發(fā)信號以實(shí)現在所有移動(dòng)電話(huà)頻段內的互通。其他一些應用也包括WiMax、UWB、ISM900、ISM5/5.8GHz、DVB-H、MediaFLO、DECT、RFID、VHF、UHF、AM和FM等。
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圖1 內置的、混合型移動(dòng)電話(huà)五頻段天線(xiàn)通常用于全球漫游和不同通信技術(shù)體制間的通信 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/355125.htm |
多天線(xiàn)系統，例如分集和多天線(xiàn)系統(MIMO)被用在需要提高數據速率的應用中。使用多天線(xiàn)系統時(shí)，設計和表征整個(gè)天線(xiàn)系統是至關(guān)重要的，這包括天線(xiàn)與天線(xiàn)之間的隔離度和相關(guān)性測試等。
增益和效率
最大增益、平均增益和效率決定了天線(xiàn)的帶寬和性能。這些指標越高，天線(xiàn)的帶寬和性能就越好。而且，天線(xiàn)在它的工作頻率范圍內也應該有足夠的VSWR。
通常，10dB的回波損耗(2.0:1.0 VSWR)或更好是人們預期的指標。為了獲得天線(xiàn)整體性能的更好相位圖，應該考慮效率的最大增益或者平均增益。但是不要陷進(jìn)僅考慮這些特性中的一個(gè)就得出一個(gè)結論。
最大峰值增益是衡量天線(xiàn)指向性的一個(gè)很好指標，但如果把它作為決定常規天線(xiàn)性能的主要標準則會(huì )被誤導。通常，越是復雜的設備中，增益會(huì )越低，所以當天線(xiàn)被安裝在實(shí)際的設備中時(shí)就會(huì )產(chǎn)生損耗。
這是由于高的峰值增益總是意味著(zhù)指向性的某一強度，而且可能導致天線(xiàn)在某個(gè)方向上增益更低，這是由于在相位方向圖中某方向的零強度。人們應該選擇一個(gè)在推薦的分貝值之上還有余量的天線(xiàn)，以確保它滿(mǎn)足實(shí)際環(huán)境中的系統需求。
大多數的無(wú)線(xiàn)系統都有50Ω的阻抗，天線(xiàn)也應該盡可能地與這個(gè)值匹配，以減少系統中的不匹配/損耗。為了全面表征天線(xiàn)的特性，其他要考慮的因素還包括極化方向(垂直極化、水平極化，或圓極化)，以及相位方向圖(在xz平面、zy平面和xy平面)等。
大多數手持便攜設備需要一個(gè)線(xiàn)性極化天線(xiàn)，并且具有用于覆蓋360全方向的全向相位方向圖，但真正的全向相位方向圖只是理論上的。
通常，設備的機械結構影響天線(xiàn)相位方向圖的形狀，并在相位方向圖中產(chǎn)生零強度和指向性。如圖2所示，在許多情況下，決定真實(shí)天線(xiàn)性能的最好方式是天線(xiàn)的完整三維輻射效率，因為它顯示了有多少天線(xiàn)的能量被轉換成輻射波傳輸出去，以及由于天線(xiàn)阻抗不匹配所造成的損耗和輻射損耗有多少。
特別是在小型便攜或手持設備中，由于實(shí)際使用的設備可能是朝著(zhù)任意方向，三維效率是比最大增益更好的參數。此外，由于最大增益峰值波束可能朝向用戶(hù)的身體，增益會(huì )由于人體衰減而降低。
機械結構布局
設備的機械結構布局決定了所需要的天線(xiàn)的尺寸和類(lèi)型，而天線(xiàn)的尺寸和類(lèi)型也限制和決定了天線(xiàn)的電氣特性。因此，設備的機械結構設計也應該考慮到天線(xiàn)的選擇。
典型的機械結構特性就是形狀要素(外部的或內部的)、結構、尺寸、安裝方式、連接形式、美學(xué)考慮，以及機械結構的持久性和天線(xiàn)部件的可靠性。設備和天線(xiàn)這兩者的構成材料選擇和機械結構設計直接影響著(zhù)可制造性。
恰當的選擇可以實(shí)現成本敏感、易于制造的方案，特別是對于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。值得注意是，更大的天線(xiàn)與更好的天線(xiàn)性能沒(méi)有直接關(guān)系。當實(shí)現了如下設計規則時(shí)，體積小巧的陶瓷天線(xiàn)印證了比體積更大的天線(xiàn)的性能要好得多。
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圖2 決定真實(shí)天線(xiàn)性能的一個(gè)方法就是察看它的整體三維輻射效率圖 |
大多數手持設備需要一個(gè)內置天線(xiàn)，而不是外部天線(xiàn)，這純粹是出于美學(xué)考慮。實(shí)際上，根據應用和設備的功能不同可能需要不止一個(gè)天線(xiàn)。
內置天線(xiàn)的典型結構是印制金屬、PCB、塑料基板的柔性印制板、彎折天線(xiàn)、LTCC、陶瓷天線(xiàn)、四臂天線(xiàn)和內置板天線(xiàn)。設備的尺寸和機械結構的約束，以及電氣要求，也決定了所要使用的天線(xiàn)的結構和技術(shù)。
大多數這種內置天線(xiàn)可以通過(guò)SMD工藝安裝、SMT工藝安裝、簧片引腳、壓簧連接、微型U.FL/I-Pex連接器或直接焊接。 當使用長(cháng)電纜連接時(shí)，信號在電纜中的傳輸損耗是很重要的因素，其數值可能達到幾分貝。
要想在具有多頻段應用的小型手持設備中解決這些最困難的設計問(wèn)題，就會(huì )縮小天線(xiàn)和所需技術(shù)類(lèi)型的選擇范圍。這些挑戰是隔離度、最小增益和效率、手臂/身體影響和特殊吸收率。
當小型手持設備中的多個(gè)天線(xiàn)位置很近時(shí)，隔離度就成為非常重要的問(wèn)題。工作在相同或相近頻段的天線(xiàn)彼此間就會(huì )發(fā)生耦合，性能就會(huì )降低。
選擇天線(xiàn)所需要的最小增益和效率成為小型設備設計中的一個(gè)挑戰，這是由于天線(xiàn)和其他部件的距離很近，如LCD、金屬屏蔽殼、電池，以及其他電子部件等。在比較低頻段的應用中，如850MHz和900MHz頻段，同樣也存在挑戰，這是由于工作頻率越低波長(cháng)越長(cháng)。
人體對手持設備的影響也會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，當人們拿著(zhù)手持設備接近身體組織時(shí)，手臂/身體的影響會(huì )造成頻率失諧。頻率的諧振就會(huì )偏離出工作頻段，從而會(huì )由于阻抗的不匹配和天線(xiàn)性能的下降而使信號產(chǎn)生很大的衰減。
此外，靠近手持設備的人體組織也會(huì )吸收天線(xiàn)輻射的能量，阻止信號向開(kāi)放空間傳輸。同樣，由于頻率可調整的需求，SAR指標也應該被考慮到。
由于許多特殊的陶瓷天線(xiàn)有很高的隔離特性和近場(chǎng)輻射分布特性，SAR和身體/手臂的影響可以降到最低，所以，即使是在小型的手持設備中也可以獲得極好的隔離度。
選擇陶瓷天線(xiàn)
在選擇陶瓷天線(xiàn)時(shí)，也需要注意一些問(wèn)題。陶瓷天線(xiàn)有許多種不同的類(lèi)型，如LTCC天線(xiàn)、陶瓷單極天線(xiàn)等，在比較某些天線(xiàn)制造商獨有的陶瓷天線(xiàn)的時(shí)候，人們就會(huì )發(fā)現天線(xiàn)的性能和應用的效果也是有差別的。
設計和性能指標的一致性是非常重要的，因為這有益于和天線(xiàn)公司的合作，這些公司具有很多的知識產(chǎn)權、很強的研究能力和工程能力。如果天線(xiàn)選擇合適和依照設計指南的正確設計，即使采用微型的陶瓷天線(xiàn)，也可以達到70%～80%的效率，1～2dBi的最大增益，以及好于3dBi的平均增益。
所有的天線(xiàn)都應該進(jìn)行全屏蔽測試以確保其質(zhì)量和可靠性。這些測試包括機械結構和可靠性測試，如機械和溫度沖擊測試、振動(dòng)和極限溫度測試，以及組裝前的機械連接設計測試。電氣特性也應該在一定條件下進(jìn)行測試，如用塑料殼包裹或電話(huà)機殼包裹后測試、靠近人體頭部/手臂模型測試等，就像人們實(shí)際使用時(shí)那樣。
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