移動終端天線的設(shè)計技巧

　　包含移動終端在內(nèi)的天線性能與外形大小有密切關(guān)系。論及天線時通常會使用以物理長度的頻率波長制定的規(guī)格化電氣性長度，一般是將電氣性長度為低于1/2π以下的天線定義為小型天線(以下簡稱為小型天線)。

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

　　目前移動終端使用頻率大多介于800mMHz～2GHz之間，波長相當(dāng)于150～350nm左右，因此100～200mm的終端尺寸對小型天線非常有利，也就是說只要巧妙應(yīng)用移動終端的機(jī)殼，就可以獲得小型、高性能的天線功能，有鑒于此本文以移動終端的機(jī)殼當(dāng)作天線使用為例，依序介紹地表數(shù)位播放用天線與PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天線的設(shè)計技巧。

　　
　 圖1 各種天線的特征

　　移動終端天線的特征

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

　　η= Pr/(Pr+Pd)

　　η:天線的效率。

　　Pr:放射功率。

　　Pd:損失功率。

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

　　
圖2 天線附近的實(shí)際電界分布狀態(tài)

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

　　圖3是移動終端周圍的電界分布狀態(tài)，由圖可知若對天線施加脈沖電界，天線周圍的電界會隨時間改變，例如右圖的電界強(qiáng)度除了天線之外，機(jī)殼本體的電界強(qiáng)度也會隨時間改變增大，換句話說只要巧妙應(yīng)用移動終端機(jī)殼的電波放射特性，即使小型天線也可以獲得預(yù)期的效果?！?

　 圖3 移動終端周圍的電界分布

　　一般數(shù)位地表波播送使用波長為400~600nm UHF(Ultra High Frequency)的頻寬，然而實(shí)際上物理特性上限制，使得一般傳統(tǒng)移動終端得天線不容易小型化，因此將移動終端機(jī)殼的改成抽取或是折疊設(shè)計，形成如圖4右側(cè)直接激振天線。

圖4 地表數(shù)位信號接收用天線

　　接著在波暗室內(nèi)實(shí)際測試上述兩種天線的水平面內(nèi)放射pattern，必需注意的是天線的特性極易受到包含人體在內(nèi)使用環(huán)境的影響，因此測試時被測天線必需遠(yuǎn)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(nèi)的放射pattern作為討論對象

　　圖5是各天線在波暗室內(nèi)測試獲得的結(jié)果；表1以Dipole天線作比較基準(zhǔn)時的等化平均值，由表1的計算結(jié)果可知傳統(tǒng)Monopole天線與Dipole天線具備-2.5~2.8dB 相同程度的平均等化值?！?

　　 圖5 兩種天線的放射pattern