便攜無線產(chǎn)品中的小天線的設(shè)計(jì)

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。

聽起來也許不合常理，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可打造一款具有極佳操控性的智能天線，智能天線被越來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已開發(fā)出一種用于無線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題的本來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。