移动终端天线设计技巧

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包含移动终端在内的天线性能与外形大小有密切关系。论及天线时通常会使用以物理长度的频率波长制定的规格化电气性长度，一般是将电气性长度为低于1/2π以下的天线定义为小型天线(以下简称为小型天线)。
移动终端几乎都是使用小型天线，它的缺点是低效率、窄频宽，为了确保天线的性能，因此天线小型化有一定的极限，然而如此一来却违背移动终端小型化的时代趋势。所幸的是天线使用的元件大多是可以创造空间的导体，若与波长比较的话，只要导体具备一定大小，基本上就可以当作高天线使用，例如类似移动终端外壳等结构就符合以上条件(图1)。
: C- e# M7 I  l* O  L目前移动终端使用频率大多介于800mMHz～2GHz之间，波长相当于150～350mm左右，因此100～200mm的终端尺寸对小型天线非常有利，也就是说只要巧妙应用移动终端的机壳，就可以获得小型、高性能的天线功能，有鉴于此本文以移动终端的机壳当作天线使用为例，依序介绍地表数位播放用天线与PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天线的设计技巧。


- d) _( V& y  C" _7 W. I图1 各种天线的特征
3 t! L. R% k) R8 s# |" z移动终端天线的特征
如上所述低效率、窄频宽是一般小型天线的主要缺点。天线的比频宽(以中心频率制定的频率范围)与天线大小有密切关系，小型天线的频宽则与天线的体积呈比例关系。天线的效率可以用下式表示:
η= Pr/(Pr+Pd)
η:天线的效率。
) `) N% Y2 X% v6 t+ q) QPr:放射功率。
Pd:损失功率。
5 S7 e9 B6 ]; r0 x由上式可知如果缩任意小天线大小的话，Pr会比Pd小导致放射效率大幅降低，这种现象尤其是天线附近的电磁界更加明显。图2是提供相同电力给两种天线时，天线附近的实际电界分布状态，图中的单极(Monopole)天线高度为λ/4(此处λ表示天线频率的对应波长)属于中等大小天线，此时单极天线最大强度大约是-20dB；相较之下逆F天线的高度为λ/10属於小型天线，此时F天线最大强度则只有0dB，由此可知即使相同电力随着天线大小的差异，天线附近的电界(电压)分布状态则截然不同，同样的磁界亦即电流强度也不相同。对小型天线而言构成天线的导体与天线周围的空间，若是属于有耗损性的媒体时，会就导致极大的电力(功率)损失，相对的效率也会急遽劣化。　


图2 天线附近的实际电界分布状态
1 A# L+ Y: N9 b& g7 Q6 S9 {天线的等化G 与物理长度L可以用下式表示:G= 8log (2L/λ) (dBd)(dBd)为接收电波时的强度(与半波长Dipole比较)指标。此处若将频率为 /20nm移动终端的天线等化代入上式，可以求得-7.7dB左右的(理论)效率，然而实际上移动终端的效率大约只有-1dB。
! K: e) m2 V8 P; g图3是移动终端周围的电界分布状态，由图可知若对天线施加脉冲电界，天线周围的电界会随时间改变，例如右图的电界强度除了天线之外，机壳本体的电界强度也会随时间改变增大，换句话说只要巧妙应用移动终端机壳的电波放射特性，即使小型天线也可以获得预期的效果。　
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图3 移动终端周围的电界分布
' H1 y; _' w& l0 ^  q( H" v2 Q一般数位地表波播送使用波长为400~600nm UHF(Ultra High Frequency)的频宽，然而实际上物理特性上限制，使得一般传统移动终端得天线不容易小型化，因此将移动终端机壳的改成抽取或是折叠设计，形成如图4右侧直接激振天线。


图4 地表数位信号接收用天线
接着在波暗室内实际测试上述两种天线的水平面内放射pattern，必需注意的是天线的特性极易受到包含人体在内使用环境的影响，因此测试时被测天线必需远离人体，此外电波几乎是从水平方向入射，所以本测试是以水平面内的放射pattern作为讨论对象
图5是各天线在波暗室内测试获得的结果；表1以Dipole天线作比较基准时的等化平均值，由表1的计算结果可知传统Monopole天线与Dipole天线具备-2.5~2.8dB 相同程度的平均等化值。　

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* b. {8 I, T) \1 c图5 两种天线的放射pattern
5 g2 s" e$ t7 R) F/ c6 d& ^. Z/ o1 Y根据上述测试结果进行屋外测试，测试时在两处际野外(Field)作收、送讯试验。波暗室内测试时被测天线远离人体旋转一圈，依此计算天线的平均收讯功率；相较之下屋外测试时则携带被测天线步行约十分钟左右回旋路程，接着再以Dipole天线作比较基准，计算天线的平均收讯功率。根据表1的计算结果显示，两种天线在四个场地的平均收讯功率几乎完全相同，它与上述波暗室内测试结果一致，依此证明只要巧妙应用移动终端机壳的电波放射特性，即使小型天线也可以获得预期的效果。　  


表1 各天线的等化特性


+ I- B0 M: t3 D$ Q: W+ A Diversity天线的设计
9 E( Q/ @8 V0 I  Z$ a2 Z移动通讯系统为了抑制衰减(Fading)造成通讯品质恶化，因此通常都采用Diversity天线。上节介绍的两种Diversity天线，主要设计诉求是收讯用途，所以涉及天线的设置场所与天线构造。
此处采取在连接移动通讯系统折叠机壳上增设阻抗(Impedance)Z，如此就能够利用一种天线获得多样的放射pattern，这种设计最大优点是可以大幅缩小天线的设置场所与天线结构物的尺寸。
图6是Diversity天线的构造，如图所示它是将天线设置在折叠机壳两接地(Ground)中央，两接地之间再铺设信号线与并排连接的阻抗，接着改变阻抗 观察放射pattern。根据图7的测试结果显示， Z=Z0(开放)与Z=Z1(容量性)时，放射pattern发生明显改变， Z=Z0时放射pattern呈侧向8字形， Z=Z1时放射pattern与 Z=Z0截然不同，换句话说即使相同天线，随着Z的变化会出现不同的放射现象。　
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/ p. a0 U" J' ^1 ?7 w8 i. M9 R& Z图6 Diversity天线的构造


( l  X& W9 i9 B/ k图7 对各Z的放射pattern
8 b/ Y$ o: Q4 S/ e为了探讨放射pattern的变化原理，因此对机壳施加电流藉此观察电流分布特性，根据图8的测试结果显示， Z=Z0时上下机壳都有同相电流流动，而且与图7的放射pattern一样都是呈侧向8字形，由于Z=Z0时为同相电流，因此电界是以侧向加算；相对的Z=Z1则变成逆相电流，因此电界横向相互抵销，放射pattern整体呈蝶翼状。由此可知只要改变抗Z就能够控制机壳上的电流，并使电流产生的放射pattern发生变化。　
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图8 Diversity天线的动作原理
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/ [9 l6 G8 I, x" e  E7 T$ P 结语
4 M0 [& S7 O0 [3 \: U0 X5 B以上介绍利用移动终端的机壳当作导体，设计小型高性能天线的技巧，同时探讨地表数位播放用天线与PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天线的设计技巧。（