便攜無線產(chǎn)品中的小天線的設(shè)計

通常在進(jìn)入設(shè)計周期末尾之前，天線設(shè)計不會引起太大注意。原因或許就是因為它們是無源器件，在RF信號通路中所起的作用看來不大。也可能是是因為設(shè)計師希望他們一直有能力在剩余空間內(nèi)配置天線設(shè)計和進(jìn)行元件選擇。還有可能是因為天線不是摩爾定律的受益者。

無論具體原因何在，便攜無線產(chǎn)品設(shè)計人員現(xiàn)如今都面臨著許多新的工具、新的方法和新的元件，從而使得對理想天線的追求又增添了新的折衷過程。在這個過程中，設(shè)計人員需要切切實實地在“造和買”之間作出艱難取舍。與你必須花錢購買的有源器件不同，完全可能只以PCB上幾平方厘米的代價免費制造一個天線。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。現(xiàn)在，一些更新的天線設(shè)計和器件的出現(xiàn)，使得設(shè)計師有了另一種選擇。

小天線的世界

小天線在電氣上的一般定義是：基本元件的尺度短于波長的1/10。對一個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(tǒng)上，小天線僅能提供有限的性能。若你想要真正高效的天線性能，你需要將更多的金屬伸向空中并采用多種或形狀復(fù)雜的元件，以提升增益、控制帶寬、改變場型或抑制鄰近信號。另外，你必須確保天線阻抗與RF前端相匹配，以使功率傳輸最大化。以蜂窩手機(jī)和Wi-Fi為代表的向更高頻率RF轉(zhuǎn)變的主要好處之一，是小天線在這些應(yīng)用中具備電氣可行性。

雖然天線“族譜”紛繁復(fù)雜，但無論你使用基于PCB的天線還是分立天線，包含小天線的這個分支都需要在設(shè)計中很好地進(jìn)行折衷處理。

PCB天線，既可以是小片或小環(huán)，可以是螺旋形或線形。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，用戶的手、身體或頭部通常對天線性能產(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性能。所以這種設(shè)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，對天線的修改——無論是為了迎合規(guī)范的變化或克服設(shè)計缺陷——一旦被確定后都可迅速執(zhí)行，且不會對BOM產(chǎn)生影響。修改還會影響天線阻抗。所以，你也許還需要改變設(shè)計好的匹配電路。

相反，分立天線會涉及到BOM成本，且通常要由供應(yīng)商根據(jù)特定的頻段、帶寬及其它性能參數(shù)進(jìn)行專門設(shè)計。作為回報，這種天線比PCB天線占用更少的PCB空間，而且如果不是完全不受影響的話，PCB布局、臨近器件或用戶對其的影響也小得多。天線阻抗由物理設(shè)計所固定，所以匹配網(wǎng)絡(luò)也被固定了，且與布局、器件擺放位置無關(guān)。這些因素使設(shè)計師不再面對某些挑戰(zhàn)性約束，以及不用再重新設(shè)計PCB布局及計算BOM。

自己動手設(shè)計天線

對于通?；赑CB的小天線而言，有許多可能的設(shè)計方法。最常見的是采用明線(也稱為開口)結(jié)構(gòu)(例如雙極和單極天線)、環(huán)線設(shè)計(例如環(huán)狀天線)，以及實心塊設(shè)計。

開口天線實際上就是自無線電技術(shù)發(fā)軔之初就業(yè)已存在的大個天線的縮微版。實際上，因Heinrich Hertz在其1888年的實驗中采用的就是雙極天線，所以它有時又稱為Hertz天線。它與地平面是平衡的，在有線和衛(wèi)星電視出現(xiàn)前，它一直忠實履行著VHF TV兔耳天線的職責(zé)。

與雙極相反，單極天線對地是單端的，所以需要一個地平面。在許多無線應(yīng)用中，單極天線作為鞭狀天線使用。它也被稱作馬可尼天線，在馬可尼早期實驗中用的就是這種天線。

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

在諸如UHF TV等批量市場使用的環(huán)形天線也有悠久歷史。它的周長約等于能接收到信號的波長(見圖1a)。從電氣特性講，矩形塊天線是一個較寬的微帶傳輸線，其長度是工作波長的一半。在圖1b中，波長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(dāng)窄，所以其工作帶寬也相當(dāng)窄——約是標(biāo)稱中心頻率的5%，該特性是好是壞，取決于具體應(yīng)用。

所有這三類天線都可用PCB實現(xiàn)，且一個多層PCB能提供多個設(shè)計選擇，包括作為某些結(jié)構(gòu)所需的地平面。類似遙控開鎖(RKE)以及車庫開啟器等對性能要求不苛刻的應(yīng)用，采用的就是這種天線設(shè)計。

因PCB天線的設(shè)計成本可忽略不計，那么是在什么時候又是因為什么使得它不是設(shè)計的優(yōu)先選項呢?其中幾個支配性因素與前端設(shè)計和實際實施有關(guān)。

首先，天線設(shè)計并不簡單。即使采用類似數(shù)字電磁碼(Numerical Electromagnetic Code)這樣的建模程序，電路或系統(tǒng)工程師對電磁世界也是陌生的。他們面對的是一個電磁場世界，而不是特定的電壓和電流點或以固定回路流動的電子流。

其次，與許多工程設(shè)計一樣，類似中心頻率、帶寬、場模式、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，評估天線性能并不容易，它需要特殊的測試儀器、無反射的腔室或開闊地帶。它還需要時間、金錢和專門技能。另外，當(dāng)評估用戶的手對天線的影響，或相反、評估天線輻射對用戶手的影響時，要進(jìn)行正確的測試設(shè)置，包括對人的手和頭的物理復(fù)制。

而且這些還都是理論上的。實際上，還有其它因素在起作用。天線當(dāng)然占用了PCB空間，其性能屬性受附近器件以及用戶手、頭和身體的顯著影響。人體組織的相對介電常數(shù)是40，而PCB成分的介電常數(shù)約介于25到85，所以人體組織將激勵共振元素并影響磁場。

另外，當(dāng)為了多頻帶操作或形狀多樣性設(shè)計而需要多個天線時，若干基于PCB天線間以及天線和附近區(qū)域間的交感將令性能預(yù)測非常困難，且其對細(xì)微的布局變化都敏感。

但也存在約束天線場特定吸收率(SAR)的規(guī)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。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的網(wǎng)站上有更多信息。必須理解和分析天線的近場和遠(yuǎn)場性能，它們可能緊密相關(guān)。

最后，天線并非與無線設(shè)備的接收前端或發(fā)射功率功放級隔絕獨立。電路設(shè)計師必須確定天線以及關(guān)聯(lián)級的阻抗，然后設(shè)計出一個匹配網(wǎng)絡(luò)以在整個目標(biāo)帶寬內(nèi)最大化功率傳輸(見圖2)。

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

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