電小天線(xiàn)的技術(shù)分析

一、電小天線(xiàn)的概念

電小天線(xiàn)就是指最大幾何尺寸遠遠小于波長(cháng)（0.1 以下量級）的天線(xiàn)。所有手機內置天線(xiàn)都是電小天線(xiàn)。

當天線(xiàn)的尺寸與波長(cháng)相比很小時(shí)，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)帶有少量輻射的電感器或電容器。它仍然是整個(gè)天線(xiàn)系統的一個(gè)分支，與一般大天線(xiàn)相比并無(wú)本質(zhì)差別，只是其電尺寸小，所以有特別需要注意的一些方面。

二、電小天線(xiàn)電特性分析

1.方向性

在上一講介紹天線(xiàn)基本原理時(shí)曾介紹天線(xiàn)的輻射方向系數D的概念。它反映了輻射能量的集中程度。假設在最大輻射方向上某點(diǎn)上某一實(shí)際天線(xiàn)與各向同性天線(xiàn)在該點(diǎn)產(chǎn)生相同的場(chǎng)強，則方向系數等于：

其中 表示輻射功率。電流元或磁流元的方向圖都呈蘋(píng)果狀8字型，方向系數為1.5。而電小天線(xiàn)的電尺寸很小，因此其方向圖接近電流元或磁流元的方向圖，因此其方向系數接近1.5。半波偶極子天線(xiàn)的方向系數則為1.64。

2.輻射效率

輻射效率的定義是：

其中 是輻射電阻， 是損耗電阻。在損耗電阻中包括天線(xiàn)自身的歐姆損耗還包括饋線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò )中的損耗電阻，即：

其中 是天線(xiàn)上的損耗電阻， 是饋線(xiàn)和匹配網(wǎng)絡(luò )中的損耗電阻。

一般來(lái)說(shuō)在提到天線(xiàn)效率時(shí)并不考慮 ， 但由于小天線(xiàn)和匹配電路密切相關(guān)，比如一個(gè)小的電容性天線(xiàn)，由于天線(xiàn)輸入容抗很高，電阻很小，如果要求此天線(xiàn)和發(fā)射機匹配，則在匹配電路中必然要求引入一 個(gè)串連的大電感使之調諧，并通過(guò)變換將低阻值變換為所需的電阻值。這是匹配電路必然帶來(lái)可觀(guān)的損耗，所以考慮電小天線(xiàn)的效率必須將 計入，以便于對比各種電小天線(xiàn)的性能。

[注意] 上式中的各項電阻應歸算于同一電流，或者是波幅電流或者是平均電流。

從輻射效率的定義式可知，提高輻射效率的途徑不外乎從提高輻射電阻和降低損耗電阻入手。

[思考] 為什么手機天線(xiàn)設計中提倡盡量不使用匹配電路，或匹配元件盡量少？

3.增益

根據天線(xiàn)增益公式：

要提高增益則應設法提高輻射效率 和方向系數 ，但對電小天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，由于 ，所以提高增益的途徑，主要依賴(lài)于提高天線(xiàn)的輻射效率 。

同時(shí)由此也可以看出，在電小天線(xiàn)中，提高增益和提高輻射效率是等效的。在手機天線(xiàn)中，有時(shí)也使用總輻射功率（TRP）的概念，即天線(xiàn)的總輻射功率，可以通過(guò)天線(xiàn)在空間各方向上的增益求積分得到。電小天線(xiàn)中的增益（G）、輻射效率（ ）和總輻射功率（TRP）是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的概念，當其中一個(gè)性能得到改善時(shí)，另外兩個(gè)性能也隨之改善。

4.輸入阻抗

天線(xiàn)輸入阻抗 定義為天線(xiàn)輸入端的電壓和電流之比。 的有功和無(wú)功分量分別用 和 表示，稱(chēng)為輸入電阻和輸入電抗。
在一個(gè)頻帶內的幾個(gè)頻率上測量或計算天線(xiàn)輸入阻抗的數值，可以作出輸入阻抗和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)，因為輸入阻抗是復數，一般必須分別作出 和 兩組曲線(xiàn)。還有一種顯示阻抗軌跡曲線(xiàn)的方法是使用史密斯圓圖工具。

電小天線(xiàn)的 通常很低，它由天線(xiàn)的輻射和天線(xiàn)的損耗兩方面的因素形成。

[注 意] 在直流和低頻電流情況下，金屬導體是等勢體，導體上的電位和電流分布處處相同。但在天線(xiàn)導體上，同一導體上的電位和電流分布卻是處處不同的。因此天線(xiàn)上各 點(diǎn)的阻抗值也不同。理論上，在天線(xiàn)上改變饋點(diǎn)的位置可以實(shí)現與饋線(xiàn)的匹配。不過(guò)由于制造工藝難于實(shí)現，所以這個(gè)結論并不實(shí)用。但應當清楚這一概念。

5.工作頻帶

天線(xiàn)的工作頻帶定義為天線(xiàn)在輻射方面的特性基本滿(mǎn)足所提出的要求時(shí)的頻率范圍。由于電小天線(xiàn)方向性在工作頻段內類(lèi)似電流元特性，在整個(gè)波段變化不顯著(zhù)，所以 主要變化特性一般指輸入阻抗的變化，工作頻帶也都是指阻抗帶寬。手機天線(xiàn)一般要求阻抗帶寬在VSWR2.5附近。

容性天線(xiàn)等效為一個(gè) 和 的串連電路，此時(shí)天線(xiàn)的品質(zhì)因數Q值：

其中 在天線(xiàn)包含匹配電路時(shí)需要將匹配電感中的電阻部分計入。由高頻電路理論知串聯(lián)電路失諧時(shí)輸出的電壓幅度和諧振時(shí)的輸出電壓幅度之比（即歸一化選頻特性）為：

，其中 為失諧頻帶寬度， 為諧振頻率。

令上式等于 ，可以得到：

由此式可以看到，天線(xiàn)的Q值與帶寬成反比，Q值越大，帶寬越小。

三、電小天線(xiàn)的固有缺陷及解決方法

1.電小天線(xiàn)的固有缺陷

輻射效率低

由于電小天線(xiàn)電尺寸很小，因此其輻射電阻將降低，假定天線(xiàn)本身不存在損耗，盡管其輻射電阻降低，總可以通過(guò)適當辦法消除天線(xiàn)的輸入電抗成分，并變換其電阻為 適當的數值使其與發(fā)射機或接收機匹配，從而有效完成能量轉換功能。但遺憾的是，不僅天線(xiàn)本身存在熱損耗，而且匹配電路也會(huì )引入損耗。當天線(xiàn)的輻射電阻很低 時(shí)，這些損耗就會(huì )更加突出，從而降低了天線(xiàn)的輻射效率，因此對小天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，輻射效率低是其突出的問(wèn)題。

工作頻帶窄

既然小天線(xiàn)相當于電容或電感，并且其電阻成分低，亦即其具有一定的高品質(zhì)因數Q，而Q值反比于帶寬，因此小天線(xiàn)的工作頻帶比較窄，這就意味著(zhù)工作頻帶寬度也是在設計小天線(xiàn)中應當重視的問(wèn)題。

輻射效率和帶寬在電小天線(xiàn)設計中比其他指標突出，因此有時(shí)將 或 作為電小天線(xiàn)的特定指標。在增益一定的情況下，應設法降低Q值，Q值一定時(shí)則應設法增大G。對發(fā)射天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，如果在滿(mǎn)足帶寬的要求下確定Q，則此時(shí)增益或輻射效率高成為主要設計依據，而對接收天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，只要滿(mǎn)足噪聲的要求下，輻射效率的高低并不像發(fā)射天線(xiàn)那么重要。

2.Chu極限定理

Chu極限定理認為，電小尺寸天線(xiàn)的Q值取值范圍由以下公式表達：

式中k為波數，r為天線(xiàn)最大方向上的尺寸。

根據Chu極限定理，我們可以得到如下重要概念：由于Q值與帶寬成反比，與天線(xiàn)最大尺寸的三次方也成反比，而天線(xiàn)尺寸的三次方又反映天線(xiàn)占用的空間大小。因此電小天線(xiàn)所能達到的最大帶寬與天線(xiàn)占用的空間成正比。因此，對電小天線(xiàn)設計而言，要獲得大的帶寬，必須保證為電小天線(xiàn)預留足夠的空間。

由前面提到的電小天線(xiàn)的特定設計指標 以及有關(guān)實(shí)驗證實(shí)，在電小天線(xiàn)的帶寬和輻射效率之間存在一種近似的折中關(guān)系。因此Chu極限定理反映的是極限帶寬與占用空間的關(guān)系，也可以說(shuō)是極限輻射效率與占用空間的關(guān)系。

在手機天線(xiàn)設計中，這一點(diǎn)具有非常重要的含義。我們設計天線(xiàn)的結構時(shí)，最容易犯的錯誤就是以為內置天線(xiàn)附近空間很大，可以放些馬達、音腔、攝像頭、金屬圈進(jìn)去，因為那里有足夠的空間，而手機板上其余部分空間已經(jīng)不足。這些情況在天線(xiàn)設計中應盡量避免，或做慎重考慮。

[說(shuō)明] 事實(shí)上，當在電小天線(xiàn)附近放置具有金屬材料等物體時(shí)，它不僅縮小了天線(xiàn)實(shí)際占用的空間，導致極限帶寬的下降；而且增大的損耗電阻，造成輻射效率的降低。因此天線(xiàn)占用空間的縮小會(huì )直接導致天線(xiàn)性能的急劇惡化。

Chu極限定理的概念對手機結構設計來(lái)說(shuō)非常重要，而在天線(xiàn)設計中的指導作用并不大。因為在天線(xiàn)設計中很難給出一個(gè)復雜電磁環(huán)境下的天線(xiàn)等效尺寸r的準確值。

3.提高電小天線(xiàn)輻射效率的途徑

提高電小天線(xiàn)輻射效率，或減小天線(xiàn)尺寸的途徑，概括起來(lái)不過(guò)有以下幾種：
（1）提高輻射電阻；
（2）降低損耗電阻：包括降低天線(xiàn)本身的熱損耗和降低匹配電路的損耗；
（3）保證功率有效饋送到天線(xiàn)上，減少天線(xiàn)鄰近物體及地面條件變化對天線(xiàn)的影響，保證匹配。當然，采取以上各種措施減小天線(xiàn)尺寸時(shí)，必須滿(mǎn)足工作頻帶的要求。

提高輻射電阻

最常使用的提高輻射電阻的途徑是加頂和加載。比如列車(chē)頂部的天線(xiàn)高度受到限制，為增加垂直部分的有效高度，可以在天線(xiàn)頂部加裝水平部分使天線(xiàn)類(lèi)似 型。當水平部分和垂直部分之和接近 時(shí)，有效高度最大，同時(shí)可以使天線(xiàn)的輸入電抗分量大大減小。

手機天線(xiàn)使用變形單極子天線(xiàn)作為內置天線(xiàn)時(shí)，也常采用類(lèi)似的措施。手機外置天線(xiàn)使用的螺旋天線(xiàn)是一種連續加載天線(xiàn)，為縮小天線(xiàn)的尺寸，將諧振長(cháng)度一定的天線(xiàn)繞成螺旋狀。

降低天線(xiàn)和匹配電路的損耗電阻

當天線(xiàn)的電尺寸較大時(shí)，天線(xiàn)的熱耗相對天線(xiàn)的輻射而言不大，因為其效率高，但當天線(xiàn)尺寸減小時(shí)，其輻射較弱，天線(xiàn)本身的損耗也就相應突出。當然，可以設法使用低耗元件（如電容）來(lái)降低其損耗。

手機設計時(shí)降低匹配電路損耗電阻的措施有：盡量不使用匹配元件或使用低耗匹配元件；盡量使RF模塊靠近天線(xiàn)饋點(diǎn)，縮短饋線(xiàn)的長(cháng)度；盡量使用PCB阻抗線(xiàn)而不要使用同軸電纜等。

減小鄰近物體的影響

在 手機天線(xiàn)中，對天線(xiàn)性能影響最嚴重的環(huán)境因素就是Speaker、馬達和金屬裝飾環(huán)。Speaker不僅由于其中的旋磁物質(zhì)改變輻射場(chǎng)結構，而且對接收頻 段是一種強烈的噪聲源。如果使用PIFA內置天線(xiàn)形式，應盡量避免將Speaker、馬達裝在天線(xiàn)輻射單元下方，絕對不允許將兩個(gè)Speaker同時(shí)裝入 天線(xiàn)輻射單元和地面之間。金屬裝飾環(huán)不能在天線(xiàn)的投影面上方，并且與天線(xiàn)的最小間距應大于6mm。

四、電小天線(xiàn)常用的分析方法

對電小天線(xiàn)進(jìn)行分析的方法，常見(jiàn)的方法有：

1.集總參數分析法

這種分析方法的基本思想是，將天線(xiàn)看作終端開(kāi)路的傳輸線(xiàn)，并用集總電感或電容等效傳輸線(xiàn)的分布參數。這種分析方法不很?chē)栏?，并且對復雜形狀的天線(xiàn)往往較難于分析，但是較為直觀(guān)，可以幫助我們作出定性的判斷。當天線(xiàn)的尺寸小于弧度長(cháng) 時(shí)，天線(xiàn)就相當于一個(gè)電容或電感，忽略熱損耗，則等效阻抗中的實(shí)部就表示天線(xiàn)的輻射。匹配帶寬正比于諧振帶寬。

2.模式分析法

即將天線(xiàn)輻射看作TM傳輸模，求解麥克斯韋方程。這種分析方法較復雜，需要求解較為煩雜的積分方程。

3.電流分布分析法

即將天線(xiàn)上的電流劃分為若干條細小的線(xiàn)電流，分別求解每條線(xiàn)產(chǎn)生的阻抗然后求解積分方程，這也是一種近似方法，計算也比較復雜。