電小天線的技術(shù)分析

一、電小天線的概念

電小天線就是指最大幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長（0.1 以下量級）的天線。所有手機(jī)內(nèi)置天線都是電小天線。

當(dāng)天線的尺寸與波長相比很小時(shí)，其實(shí)質(zhì)就是一個帶有少量輻射的電感器或電容器。它仍然是整個天線系統(tǒng)的一個分支，與一般大天線相比并無本質(zhì)差別，只是其電尺寸小，所以有特別需要注意的一些方面。

二、電小天線電特性分析

1.方向性

在上一講介紹天線基本原理時(shí)曾介紹天線的輻射方向系數(shù)D的概念。它反映了輻射能量的集中程度。假設(shè)在最大輻射方向上某點(diǎn)上某一實(shí)際天線與各向同性天線在該點(diǎn)產(chǎn)生相同的場強(qiáng)，則方向系數(shù)等于：

其中 表示輻射功率。電流元或磁流元的方向圖都呈蘋果狀8字型，方向系數(shù)為1.5。而電小天線的電尺寸很小，因此其方向圖接近電流元或磁流元的方向圖，因此其方向系數(shù)接近1.5。半波偶極子天線的方向系數(shù)則為1.64。

2.輻射效率

輻射效率的定義是：

其中 是輻射電阻， 是損耗電阻。在損耗電阻中包括天線自身的歐姆損耗還包括饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗電阻，即：

其中 是天線上的損耗電阻， 是饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗電阻。

一般來說在提到天線效率時(shí)并不考慮 ， 但由于小天線和匹配電路密切相關(guān)，比如一個小的電容性天線，由于天線輸入容抗很高，電阻很小，如果要求此天線和發(fā)射機(jī)匹配，則在匹配電路中必然要求引入一 個串連的大電感使之調(diào)諧，并通過變換將低阻值變換為所需的電阻值。這是匹配電路必然帶來可觀的損耗，所以考慮電小天線的效率必須將 計(jì)入，以便于對比各種電小天線的性能。

[注意] 上式中的各項(xiàng)電阻應(yīng)歸算于同一電流，或者是波幅電流或者是平均電流。

從輻射效率的定義式可知，提高輻射效率的途徑不外乎從提高輻射電阻和降低損耗電阻入手。

[思考] 為什么手機(jī)天線設(shè)計(jì)中提倡盡量不使用匹配電路，或匹配元件盡量少？

3.增益

根據(jù)天線增益公式：

要提高增益則應(yīng)設(shè)法提高輻射效率 和方向系數(shù) ，但對電小天線來說，由于 ，所以提高增益的途徑，主要依賴于提高天線的輻射效率 。

同時(shí)由此也可以看出，在電小天線中，提高增益和提高輻射效率是等效的。在手機(jī)天線中，有時(shí)也使用總輻射功率（TRP）的概念，即天線的總輻射功率，可以通過天線在空間各方向上的增益求積分得到。電小天線中的增益（G）、輻射效率（ ）和總輻射功率（TRP）是三個相互關(guān)聯(lián)的概念，當(dāng)其中一個性能得到改善時(shí)，另外兩個性能也隨之改善。

4.輸入阻抗

天線輸入阻抗 定義為天線輸入端的電壓和電流之比。 的有功和無功分量分別用 和 表示，稱為輸入電阻和輸入電抗。
在一個頻帶內(nèi)的幾個頻率上測量或計(jì)算天線輸入阻抗的數(shù)值，可以作出輸入阻抗和頻率的關(guān)系曲線，因?yàn)檩斎胱杩故菑?fù)數(shù)，一般必須分別作出 和 兩組曲線。還有一種顯示阻抗軌跡曲線的方法是使用史密斯圓圖工具。

電小天線的 通常很低，它由天線的輻射和天線的損耗兩方面的因素形成。

[注 意] 在直流和低頻電流情況下，金屬導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體上的電位和電流分布處處相同。但在天線導(dǎo)體上，同一導(dǎo)體上的電位和電流分布卻是處處不同的。因此天線上各 點(diǎn)的阻抗值也不同。理論上，在天線上改變饋點(diǎn)的位置可以實(shí)現(xiàn)與饋線的匹配。不過由于制造工藝難于實(shí)現(xiàn)，所以這個結(jié)論并不實(shí)用。但應(yīng)當(dāng)清楚這一概念。

5.工作頻帶

天線的工作頻帶定義為天線在輻射方面的特性基本滿足所提出的要求時(shí)的頻率范圍。由于電小天線方向性在工作頻段內(nèi)類似電流元特性，在整個波段變化不顯著，所以 主要變化特性一般指輸入阻抗的變化，工作頻帶也都是指阻抗帶寬。手機(jī)天線一般要求阻抗帶寬在VSWR2.5附近。

容性天線等效為一個 和 的串連電路，此時(shí)天線的品質(zhì)因數(shù)Q值：

其中 在天線包含匹配電路時(shí)需要將匹配電感中的電阻部分計(jì)入。由高頻電路理論知串聯(lián)電路失諧時(shí)輸出的電壓幅度和諧振時(shí)的輸出電壓幅度之比（即歸一化選頻特性）為：

，其中 為失諧頻帶寬度， 為諧振頻率。

令上式等于 ，可以得到：

由此式可以看到，天線的Q值與帶寬成反比，Q值越大，帶寬越小。

三、電小天線的固有缺陷及解決方法

1.電小天線的固有缺陷

輻射效率低

由于電小天線電尺寸很小，因此其輻射電阻將降低，假定天線本身不存在損耗，盡管其輻射電阻降低，總可以通過適當(dāng)辦法消除天線的輸入電抗成分，并變換其電阻為 適當(dāng)?shù)臄?shù)值使其與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配，從而有效完成能量轉(zhuǎn)換功能。但遺憾的是，不僅天線本身存在熱損耗，而且匹配電路也會引入損耗。當(dāng)天線的輻射電阻很低 時(shí)，這些損耗就會更加突出，從而降低了天線的輻射效率，因此對小天線來說，輻射效率低是其突出的問題。

工作頻帶窄

既然小天線相當(dāng)于電容或電感，并且其電阻成分低，亦即其具有一定的高品質(zhì)因數(shù)Q，而Q值反比于帶寬，因此小天線的工作頻帶比較窄，這就意味著工作頻帶寬度也是在設(shè)計(jì)小天線中應(yīng)當(dāng)重視的問題。

輻射效率和帶寬在電小天線設(shè)計(jì)中比其他指標(biāo)突出，因此有時(shí)將 或 作為電小天線的特定指標(biāo)。在增益一定的情況下，應(yīng)設(shè)法降低Q值，Q值一定時(shí)則應(yīng)設(shè)法增大G。對發(fā)射天線來說，如果在滿足帶寬的要求下確定Q，則此時(shí)增益或輻射效率高成為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，而對接收天線來說，只要滿足噪聲的要求下，輻射效率的高低并不像發(fā)射天線那么重要。

2.Chu極限定理

Chu極限定理認(rèn)為，電小尺寸天線的Q值取值范圍由以下公式表達(dá)：

式中k為波數(shù)，r為天線最大方向上的尺寸。

根據(jù)Chu極限定理，我們可以得到如下重要概念：由于Q值與帶寬成反比，與天線最大尺寸的三次方也成反比，而天線尺寸的三次方又反映天線占用的空間大小。因此電小天線所能達(dá)到的最大帶寬與天線占用的空間成正比。因此，對電小天線設(shè)計(jì)而言，要獲得大的帶寬，必須保證為電小天線預(yù)留足夠的空間。

由前面提到的電小天線的特定設(shè)計(jì)指標(biāo) 以及有關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在電小天線的帶寬和輻射效率之間存在一種近似的折中關(guān)系。因此Chu極限定理反映的是極限帶寬與占用空間的關(guān)系，也可以說是極限輻射效率與占用空間的關(guān)系。

在手機(jī)天線設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)具有非常重要的含義。我們設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)時(shí)，最容易犯的錯誤就是以為內(nèi)置天線附近空間很大，可以放些馬達(dá)、音腔、攝像頭、金屬圈進(jìn)去，因?yàn)槟抢镉凶銐虻目臻g，而手機(jī)板上其余部分空間已經(jīng)不足。這些情況在天線設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免，或做慎重考慮。

[說明] 事實(shí)上，當(dāng)在電小天線附近放置具有金屬材料等物體時(shí)，它不僅縮小了天線實(shí)際占用的空間，導(dǎo)致極限帶寬的下降；而且增大的損耗電阻，造成輻射效率的降低。因此天線占用空間的縮小會直接導(dǎo)致天線性能的急劇惡化。

Chu極限定理的概念對手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說非常重要，而在天線設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)作用并不大。因?yàn)樵谔炀€設(shè)計(jì)中很難給出一個復(fù)雜電磁環(huán)境下的天線等效尺寸r的準(zhǔn)確值。

3.提高電小天線輻射效率的途徑

提高電小天線輻射效率，或減小天線尺寸的途徑，概括起來不過有以下幾種：
（1）提高輻射電阻；
（2）降低損耗電阻：包括降低天線本身的熱損耗和降低匹配電路的損耗；
（3）保證功率有效饋送到天線上，減少天線鄰近物體及地面條件變化對天線的影響，保證匹配。當(dāng)然，采取以上各種措施減小天線尺寸時(shí)，必須滿足工作頻帶的要求。

提高輻射電阻

最常使用的提高輻射電阻的途徑是加頂和加載。比如列車頂部的天線高度受到限制，為增加垂直部分的有效高度，可以在天線頂部加裝水平部分使天線類似 型。當(dāng)水平部分和垂直部分之和接近 時(shí)，有效高度最大，同時(shí)可以使天線的輸入電抗分量大大減小。

手機(jī)天線使用變形單極子天線作為內(nèi)置天線時(shí)，也常采用類似的措施。手機(jī)外置天線使用的螺旋天線是一種連續(xù)加載天線，為縮小天線的尺寸，將諧振長度一定的天線繞成螺旋狀。

降低天線和匹配電路的損耗電阻

當(dāng)天線的電尺寸較大時(shí)，天線的熱耗相對天線的輻射而言不大，因?yàn)槠湫矢?，但?dāng)天線尺寸減小時(shí)，其輻射較弱，天線本身的損耗也就相應(yīng)突出。當(dāng)然，可以設(shè)法使用低耗元件（如電容）來降低其損耗。

手機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)降低匹配電路損耗電阻的措施有：盡量不使用匹配元件或使用低耗匹配元件；盡量使RF模塊靠近天線饋點(diǎn)，縮短饋線的長度；盡量使用PCB阻抗線而不要使用同軸電纜等。

減小鄰近物體的影響

在 手機(jī)天線中，對天線性能影響最嚴(yán)重的環(huán)境因素就是Speaker、馬達(dá)和金屬裝飾環(huán)。Speaker不僅由于其中的旋磁物質(zhì)改變輻射場結(jié)構(gòu)，而且對接收頻 段是一種強(qiáng)烈的噪聲源。如果使用PIFA內(nèi)置天線形式，應(yīng)盡量避免將Speaker、馬達(dá)裝在天線輻射單元下方，絕對不允許將兩個Speaker同時(shí)裝入 天線輻射單元和地面之間。金屬裝飾環(huán)不能在天線的投影面上方，并且與天線的最小間距應(yīng)大于6mm。

四、電小天線常用的分析方法

對電小天線進(jìn)行分析的方法，常見的方法有：

1.集總參數(shù)分析法

這種分析方法的基本思想是，將天線看作終端開路的傳輸線，并用集總電感或電容等效傳輸線的分布參數(shù)。這種分析方法不很嚴(yán)格，并且對復(fù)雜形狀的天線往往較難于分析，但是較為直觀，可以幫助我們作出定性的判斷。當(dāng)天線的尺寸小于弧度長 時(shí)，天線就相當(dāng)于一個電容或電感，忽略熱損耗，則等效阻抗中的實(shí)部就表示天線的輻射。匹配帶寬正比于諧振帶寬。

2.模式分析法

即將天線輻射看作TM傳輸模，求解麥克斯韋方程。這種分析方法較復(fù)雜，需要求解較為煩雜的積分方程。

3.電流分布分析法

即將天線上的電流劃分為若干條細(xì)小的線電流，分別求解每條線產(chǎn)生的阻抗然后求解積分方程，這也是一種近似方法，計(jì)算也比較復(fù)雜。