便攜無(wú)線產(chǎn)品中的小天線設(shè)計(jì)實(shí)例

電介質(zhì)成為天線設(shè)計(jì)一部分

幸運(yùn)地是，材料科學(xué)和天線理論的發(fā)展為設(shè)計(jì)工程師在外接和基于PCB這兩類天線之外，還提供了其它選擇。這些天線將天線的體積效率最大化，同時(shí)克服或?qū)嶋H上消除了布局影響及匹配的不確定性。與此對(duì)照的是，塊狀和鞭狀無(wú)線是二維的，其效能主要取決于所處空間而非體積。雖然分立天線切實(shí)增加了成本，但它們也常常在改善或保證產(chǎn)品性能的同時(shí)減小了尺寸。

聽(tīng)起來(lái)也許不合常理，作為絕緣體的電介質(zhì)會(huì)在天線設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中扮演著重要角色。但事實(shí)的確如此，在超過(guò)50年的時(shí)間內(nèi)，電介質(zhì)一直是天線設(shè)計(jì)的一部分，它有助于成型和管理天線模式電場(chǎng)。場(chǎng)能量以相當(dāng)高的密度積聚并存儲(chǔ)在電介質(zhì)內(nèi)，所以，外部物體或場(chǎng)具有相對(duì)小的影響且并不影響天線的固有共振。

當(dāng)然，高相對(duì)介電常數(shù)只是基于電介質(zhì)的天線取得成功的關(guān)鍵因素之一。材料還需要低電介損失(高Q材料)和低溫系數(shù)以最小化物理尺度變異，該變異可導(dǎo)致失(調(diào))諧。

例如，英國(guó)Sarantel公司的Geohelix天線采用獨(dú)有的陶瓷材料和形狀，與塊狀和鞭狀天線相比，它具有將近場(chǎng)輻射減少最低90%的能力。受用戶手和軀體影響的近場(chǎng)在Sarantel天線內(nèi)幾乎是被完全封閉起來(lái)的。該天線當(dāng)帶通濾波器使用，以抑制帶外信號(hào)同時(shí)還去掉了做在PCB或機(jī)殼上的地平面。

不再需要地平面是該設(shè)計(jì)具有平衡電流的結(jié)果，因流進(jìn)天線的電流總和為零，所以其共振獨(dú)立于PCB或封裝。與此相對(duì)，一個(gè)基于微帶的塊或外接鞭狀天線需要一個(gè)地平面以取得共振，流進(jìn)(或流出)天線的電流需要在地平面上生成一個(gè)互補(bǔ)電流，這樣才能產(chǎn)生共振。

類似，另一家英國(guó)公司Antenova擁有一種高電介質(zhì)天線技術(shù)，它提供一種適用于全向、有向甚至多帶應(yīng)用、具有10GHz以上頻率響應(yīng)特性優(yōu)點(diǎn)的體積式非交感天線。這些高效器件對(duì)接近失諧和效應(yīng)具有相對(duì)免疫力。將這些器件整合起來(lái)可打造一款具有極佳操控性的智能天線，智能天線被越來(lái)越多地用在基站中以擴(kuò)充系統(tǒng)能力同時(shí)改進(jìn)每個(gè)呼叫的性能。

例如，Antenova已開(kāi)發(fā)出一種用于無(wú)線LAN、覆蓋2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz雙頻段的雙帶混合IEEE 802.11a/b/g天線，它具有4×4×20mm的體積(見(jiàn)圖3)。

圖3：Antenova的高電介質(zhì)混合天線在一個(gè)緊湊封裝內(nèi)提供多帶性能

該天線有三個(gè)元件：一條微帶饋線，它也與接至天線的1.2mm直徑、超小同軸電纜饋線匹配；一個(gè)發(fā)射器件，由1/4波長(zhǎng)地塊和兩個(gè)共振器(每頻段一個(gè))組成；及一個(gè)陶瓷顆粒，它負(fù)責(zé)激勵(lì)發(fā)射元件并在發(fā)射元件和饋線間形成耦合。

不同的方法

不是所有的這些新天線都以陶瓷為核心。巴塞羅納的Fractus公司將基于不規(guī)則碎片幾何學(xué)的幾何模式用于其封裝天線(antenna-in-package)設(shè)計(jì)中。該多帶天線能被印在襯底上或嵌入在芯片內(nèi)。他們提供一種發(fā)射效率高于70%、峰值增益高于1dBi、VSWR低于1.5:1的GSM天線。該天線具有50歐姆不平衡阻抗，體積僅有10×10×0.9mm。

作為來(lái)自同一家供應(yīng)商Centurion Wireless Technology(現(xiàn)Laird Technologies的一部分)的塊狀和分立天線的一種對(duì)比，Centurion提供一種能被附著在產(chǎn)品外殼內(nèi)的微帶塊天線。它工作在2.4到2.5GHz頻段、43×43×1.65mm大小。在工作頻帶內(nèi)，該天線具有5.1dBi的增益和小于2.5:1的VSWR。Centurion相同頻帶的BlackChip表貼天線的增益大于2dBi、VSWR小于2:1、8×6×2.4mm大小。

大多關(guān)于天線設(shè)計(jì)的書籍充斥著難以用于實(shí)際設(shè)計(jì)的復(fù)雜理論和公式。但這種現(xiàn)象主要還是源于天線問(wèn)題的本來(lái)特性而不是作者刻意要顯得晦澀高深。由Newnes/Elsevier出版的Douglas B. Miron寫的《小天線設(shè)計(jì)》是一本覆蓋了理論、模擬和設(shè)計(jì)的參考資料。