便携无线产品中的小天线设计

便携无线产品中的小天线设计

通常在进入设计周期末尾之前，天线设计不会引起太大注意。原因或许就是因为它们是无源器件，在RF信号通路中所起的作用看来不大。也可能是是因为设计师希望他们一直有能力在剩余空间内配置天线设计和进行元件选择。还有可能是因为天线不是摩尔定律的受益者。

无论具体原因何在，便携无线产品设计人员现如今都面临着许多新的工具、新的方法和新的元件，从而使得对理想天线的追求又增添了新的折衷过程。在这个过程中，设计人员需要切切实实地在“造和买”之间作出艰难取舍。与你必须花钱购买的有源器件不同，完全可能只以PCB上几平方厘米的代价免费制造一个天线。在许多情况下，这是一种有吸引力的可行选项。但在其它许多情况下，享用这种明显的“免费午餐”的成本太高。现在，一些更新的天线设计和器件的出现，使得设计师有了另一种选择。

小天线的世界

小天线在电气上的一般定义是：基本元件的尺度短于波长的1/10。对一个300MHz信号，定义上的阀值是10厘米；而在1GHz，该值仅为3厘米。

传统上，小天线仅能提供有限的性能。若你想要真正高效的天线性能，你需要将更多的金属伸向空中并采用多种或形状复杂的元件，以提升增益、控制带宽、改变场型或抑制邻近信号。另外，你必须确保天线阻抗与RF前端相匹配，以使功率传输最大化。以蜂窝手机和Wi-Fi为代表的向更高频率RF转变的主要好处之一，是小天线在这些应用中具备电气可行性。

虽然天线“族谱”纷繁复杂，但无论你使用基于PCB的天线还是分立天线，包含小天线的这个分支都需要在设计中很好地进行折衷处理。

PCB天线，既可以是小片或小环，可以是螺旋形或线形。它们的BOM成本可以忽略不计，只需要占用PCB空间。值得注意的是，某些PCB天线并非主电路板的一部分，而是作为独立器件，通常附在产品外壳里面。其性能还取决于布局、几何尺寸及其与附近元件的相对位置。另外，用户的手、身体或头部通常对天线性能产生不利影响。产品中元件或PCB布局的任何改变都将波及到天线性能。所以这种设计是受到限制的，而最终产品定型前的修改也意义不大。

另一方面，对天线的修改——无论是为了迎合规范的变化或克服设计缺陷——一旦被确定后都可迅速执行，且不会对BOM产生影响。修改还会影响天线阻抗。所以，你也许还需要改变设计好的匹配电路。

相反，分立天线会涉及到BOM成本，且通常要由供应商根据特定的频段、带宽及其它性能参数进行专门设计。作为回报，这种天线比PCB天线占用更少的PCB空间，而且如果不是完全不受影响的话，PCB布局、临近器件或用户对其的影响也小得多。天线阻抗由物理设计所固定，所以匹配网络也被固定了，且与布局、器件摆放位置无关。这些因素使设计师不再面对某些挑战性约束，以及不用再重新设计PCB布局及计算BOM。

自己动手设计天线

对于通常基于PCB的小天线而言，有许多可能的设计方法。最常见的是采用明线(也称为开口)结构(例如双极和单极天线)、环线设计(例如环状天线)，以及实心块设计。

开口天线实际上就是自无线电技术发轫之初就业已存在的大个天线的缩微版。实际上，因Heinrich Hertz在其1888年的实验中采用的就是双极天线，所以它有时又称为Hertz天线。它与地平面是平衡的，在有线和卫星电视出现前，它一直忠实履行着VHF TV兔耳天线的职责。

与双极相反，单极天线对地是单端的，所以需要一个地平面。在许多无线应用中，单极天线作为鞭状天线使用。它也被称作马可尼天线，在马可尼早期实验中用的就是这种天线。

图1：环形天线(a)易于实现。矩形块天线(b)使用规划得很好的PCB空间(它也可是一个分立器件)

在诸如UHF TV等批量市场使用的环形天线也有悠久历史。它的周长约等于能接收到信号的波长(见图1a)。从电气特性讲，矩形块天线是一个较宽的微带传输线，其长度是工作波长的一半。在图1b中，波长不是以真空中的传播计算的，而是以绝缘的PCB材料计算的。矩形块的共振频段相当窄，所以其工作带宽也相当窄——约是标称中心频率的5%，该特性是好是坏，取决于具体应用。

所有这三类天线都可用PCB实现，且一个多层PCB能提供多个设计选择，包括作为某些结构所需的地平面。类似遥控开锁(RKE)以及车库开启器等对性能要求不苛刻的应用，采用的就是这种天线设计。

因PCB天线的设计成本可忽略不计，那么是在什么时候又是因为什么使得它不是设计的优先选项呢？其中几个支配性因素与前端设计和实际实施有关。

首先，天线设计并不简单。即使采用类似数字电磁码(Numerical Electromagnetic Code)这样的建模程序，电路或系统工程师对电磁世界也是陌生的。他们面对的是一个电磁场世界，而不是特定的电压和电流点或以固定回路流动的电子流。

其次，与许多工程设计一样，类似中心频率、带宽、场模式、效率以及组织(lobe)和增益等相互竞争和冲突的属性使得它们之间的平衡取舍很困难。

第三，评估天线性能并不容易，它需要特殊的测试仪器、无反射的腔室或开阔地带。它还需要时间、金钱和专门技能。另外，当评估用户的手对天线的影响，或相反、评估天线辐射对用户手的影响时，要进行正确的测试设置，包括对人的手和头的物理复制。

而且这些还都是理论上的。实际上，还有其它因素在起作用。天线当然占用了PCB空间，其性能属性受附近器件以及用户手、头和身体的显著影响。人体组织的相对介电常数是40，而PCB成分的介电常数约介于25到85，所以人体组织将激励共振元素并影响磁场。

另外，当为了多频带操作或形状多样性设计而需要多个天线时，若干基于PCB天线间以及天线和附近区域间的交感将令性能预测非常困难，且其对细微的布局变化都敏感。

但也存在约束天线场特定吸收率(SAR)的规则。SAR是质量(本例的人体组织)吸收RF能力的比率；通常采用两种方法对其进行测量：一是测由于吸收引起的温升；二是测模拟人体组织的流体的电场。美国联邦通信委员会(FCC)的网站上有更多信息。必须理解和分析天线的近场和远场性能，它们可能紧密相关。

最后，天线并非与无线设备的接收前端或发射功率功放级隔绝独立。电路设计师必须确定天线以及关联级的阻抗，然后设计出一个匹配网络以在整个目标带宽内最大化功率传输(见图2)。

图2：天线子系统包括前端接收放大器或发射放大器、匹配网络和天线本身。

这通常是一项困难的设计工作，涉及到专业计算和测量以及专用工具，例如就需要Smith圆图。

电介质成为天线设计一部分

幸运地是，材料科学和天线理论的发展为设计工程师在外接和基于PCB这两类天线之外，还提供了其它选择。这些天线将天线的体积效率最大化，同时克服或实际上消除了布局影响及匹配的不确定性。与此对照的是，块状和鞭状无线是二维的，其效能主要取决于所处空间而非体积。虽然分立天线切实增加了成本，但它们也常常在改善或保证产品性能的同时减小了尺寸。

听起来也许不合常理，作为绝缘体的电介质会在天线设计和实现中扮演着重要角色。但事实的确如此，在超过50年的时间内，电介质一直是天线设计的一部分，它有助于成型和管理天线模式电场。场能量以相当高的密度积聚并存储在电介质内，所以，外部物体或场具有相对小的影响且并不影响天线的固有共振。

当然，高相对介电常数只是基于电介质的天线取得成功的关键因素之一。材料还需要低电介损失(高Q材料)和低温系数以最小化物理尺度变异，该变异可导致失(调)谐。

例如，英国Sarantel公司的Geohelix天线采用独有的陶瓷材料和形状，与块状和鞭状天线相比，它具有将近场辐射减少最低90%的能力。受用户手和躯体影响的近场在Sarantel天线内几乎是被完全封闭起来的。该天线当带通滤波器使用，以抑制带外信号同时还去掉了做在PCB或机壳上的地平面。

不再需要地平面是该设计具有平衡电流的结果，因流进天线的电流总和为零，所以其共振独立于PCB或封装。与此相对，一个基于微带的块或外接鞭状天线需要一个地平面以取得共振，流进(或流出)天线的电流需要在地平面上生成一个互补电流，这样才能产生共振。

类似，另一家英国公司Antenova拥有一种高电介质天线技术，它提供一种适用于全向、有向甚至多带应用、具有10GHz以上频率响应特性优点的体积式非交感天线。这些高效器件对接近失谐和效应具有相对免疫力。将这些器件整合起来可打造一款具有极佳操控性的智能天线，智能天线被越来越多地用在基站中以扩充系统能力同时改进每个呼叫的性能。

例如，Antenova已开发出一种用于无线LAN、覆盖2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz双频段的双带混合IEEE 802.11a/b/g天线，它具有4×4×20mm的体积(见图3)。

图3：Antenova的高电介质混合天线在一个紧凑封装内提供多带性能

该天线有三个元件：一条微带馈线，它也与接至天线的1.2mm直径、超小同轴电缆馈线匹配；一个发射器件，由1/4波长地块和两个共振器(每频段一个)组成；及一个陶瓷颗粒，它负责激励发射元件并在发射元件和馈线间形成耦合。

不同的方法

不是所有的这些新天线都以陶瓷为核心。巴塞罗纳的Fractus公司将基于不规则碎片几何学的几何模式用于其封装天线(antenna-in-package)设计中。该多带天线能被印在衬底上或嵌入在芯片内。他们提供一种发射效率高于70%、峰值增益高于1dBi、VSWR低于1.5:1的GSM天线。该天线具有50欧姆不平衡阻抗，体积仅有10×10×0.9mm。

作为来自同一家供应商Centurion Wireless Technology(现Laird Technologies的一部分)的块状和分立天线的一种对比，Centurion提供一种能被附着在产品外壳内的微带块天线。它工作在2.4到2.5GHz频段、43×43×1.65mm大小。在工作频带内，该天线具有5.1dBi的增益和小于2.5:1的VSWR。Centurion相同频带的BlackChip表贴天线的增益大于2dBi、VSWR小于2:1、8×6×2.4mm大小。

大多关于天线设计的书籍充斥着难以用于实际设计的复杂理论和公式。但这种现象主要还是源于天线问题的本来特性而不是作者刻意要显得晦涩高深。由Newnes/Elsevier出版的Douglas B. Miron写的《小天线设计》是一本覆盖了理论、模拟和设计的参考资料。