移動(dòng)終端天線的設(shè)計(jì)技巧

　　包含移動(dòng)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(shí)通常會(huì)使用以物理長(zhǎng)度的頻率波長(zhǎng)制定的規(guī)格化電氣性長(zhǎng)度，一般是將電氣性長(zhǎng)度為低于1/2π以下的天線定義為小型天線(以下簡(jiǎn)稱為小型天線)。 

　　移動(dòng)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(dòng)終端小型化的時(shí)代趨勢(shì)。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(zhǎng)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(dòng)終端外殼等結(jié)構(gòu)就符合以上條件(圖1)。 

　　目前移動(dòng)終端使用頻率大多介于800mMHz～2GHz之間，波長(zhǎng)相當(dāng)于150～350nm左右，因此100～200mm的終端尺寸對(duì)小型天線非常有利，也就是說只要巧妙應(yīng)用移動(dòng)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(dòng)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(jì)技巧。 

　　 
　 圖1 各種天線的特征 

　　移動(dòng)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(huì)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(shí)，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(duì)應(yīng)波長(zhǎng))屬于中等大小天線，此時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，會(huì)就導(dǎo)致極大的電力(功率)損失，相對(duì)的效率也會(huì)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(zhǎng)度L可以用下式表示:G= 8log (2L/λ) (dBd)(dBd)為接收電波時(shí)的強(qiáng)度(與半波長(zhǎng)Dipole比較)指標(biāo)。此處若將頻率為 /20nm移動(dòng)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(dòng)終端的效率大約只有-1dB。 

　　圖3是移動(dòng)終端周圍的電界分布狀態(tài)，由圖可知若對(duì)天線施加脈沖電界，天線周圍的電界會(huì)隨時(shí)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(huì)隨時(shí)間改變?cè)龃螅瑩Q句話說只要巧妙應(yīng)用移動(dòng)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?！?nbsp;

　 圖3 移動(dòng)終端周圍的電界分布 

　　一般數(shù)位地表波播送使用波長(zhǎng)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(dòng)終端得天線不容易小型化，因此將移動(dòng)終端機(jī)殼的改成抽取或是折疊設(shè)計(jì)，形成如圖4右側(cè)直接激振天線。 

 圖4 地表數(shù)位信號(hào)接收用天線 

　　接著在波暗室內(nèi)實(shí)際測(cè)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(cè)試時(shí)被測(cè)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(cè)試是以水平面內(nèi)的放射pattern作為討論對(duì)象 

　　圖5是各天線在波暗室內(nèi)測(cè)試獲得的結(jié)果；表1以Dipole天線作比較基準(zhǔn)時(shí)的等化平均值，由表1的計(jì)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?！?nbsp;

　　                                       圖5 兩種天線的放射pattern 

　　根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行屋外測(cè)試，測(cè)試時(shí)在兩處際野外(Field)作收、送訊試驗(yàn)。波暗室內(nèi)測(cè)試時(shí)被測(cè)天線遠(yuǎn)離人體旋轉(zhuǎn)一圈，依此計(jì)算天線的平均收訊功率；相較之下屋外測(cè)試時(shí)則攜帶被測(cè)天線步行約十分鐘左右回旋路程，接著再以Dipole天線作比較基準(zhǔn)，計(jì)算天線的平均收訊功率。根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果顯示，兩種天線在四個(gè)場(chǎng)地的平均收訊功率幾乎完全相同，它與上述波暗室內(nèi)測(cè)試結(jié)果一致，依此證明只要巧妙應(yīng)用移動(dòng)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?！?nbsp; 

　　暗室內(nèi)等化(dB) Field的等化(dB) 

　　屋內(nèi)1 屋內(nèi)2 屋內(nèi)3 屋內(nèi)4 平均值 

　　天線A -2.5 -2.6 -1.1 -1.1 0.8 -1.0 

　　天線B -2.8 -0.5 -0.9 -1.8 -0.5 -0.9 

　　表1 各天線的等化特性 

　　Diversity天線的設(shè)計(jì) 

　　移動(dòng)通訊系統(tǒng)為了抑制衰減(Fading)造成通訊品質(zhì)惡化，因此通常都采用Diversity天線。上節(jié)介紹的兩種Diversity天線，主要設(shè)計(jì)訴求是收訊用途，所以涉及天線的設(shè)置場(chǎng)所與天線構(gòu)造。 

　　此處采取在連接移動(dòng)通訊系統(tǒng)折疊機(jī)殼上增設(shè)阻抗(Impedance)Z，如此就能夠利用一種天線獲得多樣的放射pattern，這種設(shè)計(jì)最大優(yōu)點(diǎn)是可以大幅縮小天線的設(shè)置場(chǎng)所與天線結(jié)構(gòu)物的尺寸。 

　　圖6是Diversity天線的構(gòu)造，如圖所示它是將天線設(shè)置在折疊機(jī)殼兩接地(Ground)中央，兩接地之間再鋪設(shè)信號(hào)線與并排連接的阻抗，接著改變阻抗 觀察放射pattern。根據(jù)圖7的測(cè)試結(jié)果顯示， Z=Z0(開放)與Z=Z1(容量性)時(shí)，放射pattern發(fā)生明顯改變， Z=Z0時(shí)放射pattern呈側(cè)向8字形， Z=Z1時(shí)放射pattern與 Z=Z0截然不同，換句話說即使相同天線，隨著Z的變化會(huì)出現(xiàn)不同的放射現(xiàn)象?！?nbsp; 

　　 
　　 圖6 Diversity天線的構(gòu)造 
 
　　 

　　圖7 對(duì)各Z的放射pattern 

　　為了探討放射pattern的變化原理，因此對(duì)機(jī)殼施加電流藉此觀察電流分布特性，根據(jù)圖8的測(cè)試結(jié)果顯示， Z=Z0時(shí)上下機(jī)殼都有同相電流流動(dòng)，而且與圖7的放射pattern一樣都是呈側(cè)向8字形，由于Z=Z0時(shí)為同相電流，因此電界是以側(cè)向加算；相對(duì)的Z=Z1則變成逆相電流，因此電界橫向相互抵銷，放射pattern整體呈蝶翼狀。由此可知只要改變抗Z就能夠控制機(jī)殼上的電流，并使電流產(chǎn)生的放射pattern發(fā)生變化。

圖8 Diversity天線的動(dòng)作原理 

　　 
　　結(jié)語(yǔ) 

　　以上介紹利用移動(dòng)終端的機(jī)殼當(dāng)作導(dǎo)體，設(shè)計(jì)小型高性能天線的技巧，同時(shí)探討地表數(shù)位播放用天線與PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天線的設(shè)計(jì)技巧。