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天線是影響所有無線通信系統可靠性和性能的眾多因素中很關鍵的一個。選擇能完全滿足系統性能指標的天線是非常重要的。 然而，現今的小型手持設備也給天線設計工程師帶來了挑戰，天線要盡量薄、結構要緊湊、性能要高，而且還要滿足各種各樣的技術標準。面市時間和成本也是制造商要考慮的兩個重要因素。 為系統選擇最好的天線的兩個主要條件是天線的電氣和機械特性。這些指標受設備的設計和機械結構所限制。 基本的電氣特性 應該考慮的基本電氣特性是天線的工作頻率、帶寬、最大增益、平均增益、效率、回波損耗，或者電壓駐波比(VSWR)，以及極化方向、指向性、副瓣和后瓣輻射強度、前后比、相位方向圖、阻抗和額定功率。天線的構成材料和實際的射頻RF設計也決定了天線的最終電氣性能。天線的構成材料應該有很低的損耗和很好的傳導率。 工作頻率 工作頻率的范圍由應用的類型決定。例如，Wi-Fi 802.11b/g、ZigBee和BlueTooth都使用相同的2.4GHz ISM頻段，該頻段的帶寬大約是80MHz(2.4～2.48GHz)。商業GPS系統使用L1 1.575GHz頻段，其帶寬為2MHz(1575.42MHz1MHz)。 GSM系統使用850/1900MHz頻段，或者900/1800MHz頻段，具體采用哪個頻段取決于相應地區的運營商。3G系統也使用不同的頻段，也是與地區相關的。例如，歐洲的WCDMA系統使用2.1GHz頻段。 四或五頻段移動電話的天線主要用于全球漫游，以及實現不同通信體制間的通信，如圖1所示。它們可以在四頻段GSM系統和W-CDMA2100系統中收發信號以實現在所有移動電話頻段內的互通。其他一些應用也包括WiMax、UWB、ISM900、ISM5/5.8GHz、DVB-H、MediaFLO、DECT、RFID、VHF、UHF、AM和FM等。 圖1 內置的、混合型移動電話五頻段天線通常用于全球漫游和不同通信技術體制間的通信 多天線系統，例如分集和多天線系統(MIMO)被用在需要提高數據速率的應用中。使用多天線系統時，設計和表征整個天線系統是至關重要的，這包括天線與天線之間的隔離度和相關性測試等。 增益和效率 最大增益、平均增益和效率決定了天線的帶寬和性能。這些指標越高，天線的帶寬和性能就越好。而且，天線在它的工作頻率范圍內也應該有足夠的VSWR。 通常，10dB的回波損耗(2.0:1.0 VSWR)或更好是人們預期的指標。為了獲得天線整體性能的更好相位圖，應該考慮效率的最大增益或者平均增益。但是不要陷進僅考慮這些特性中的一個就得出一個結論。 最大峰值增益是衡量天線指向性的一個很好指標，但如果把它作為決定常規天線性能的主要標準則會被誤導。通常，越是復雜的設備中，增益會越低，所以當天線被安裝在實際的設備中時就會產生損耗。 這是由于高的峰值增益總是意味著指向性的某一強度，而且可能導致天線在某個方向上增益更低，這是由于在相位方向圖中某方向的零強度。人們應該選擇一個在推薦的分貝值之上還有余量的天線，以確保它滿足實際環境中的系統需求。 大多數的無線系統都有50Ω的阻抗，天線也應該盡可能地與這個值匹配，以減少系統中的不匹配/損耗。為了全面表征天線的特性，其他要考慮的因素還包括極化方向(垂直極化、水平極化，或圓極化)，以及相位方向圖(在xz平面、zy平面和xy平面)等。 大多數手持便攜設備需要一個線性極化天線，并且具有用于覆蓋360全方向的全向相位方向圖，但真正的全向相位方向圖只是理論上的。 通常，設備的機械結構影響天線相位方向圖的形狀，并在相位方向圖中產生零強度和指向性。如圖2所示，在許多情況下，決定真實天線性能的最好方式是天線的完整三維輻射效率，因為它顯示了有多少天線的能量被轉換成輻射波傳輸出去，以及由于天線阻抗不匹配所造成的損耗和輻射損耗有多少。 特別是在小型便攜或手持設備中，由于實際使用的設備可能是朝著任意方向，三維效率是比最大增益更好的參數。此外，由于最大增益峰值波束可能朝向用戶的身體，增益會由于人體衰減而降低。 機械結構布局 設備的機械結構布局決定了所需要的天線的尺寸和類型，而天線的尺寸和類型也限制和決定了天線的電氣特性。因此，設備的機械結構設計也應該考慮到天線的選擇。 典型的機械結構特性就是形狀要素(外部的或內部的)、結構、尺寸、安裝方式、連接形式、美學考慮，以及機械結構的持久性和天線部件的可靠性。設備和天線這兩者的構成材料選擇和機械結構設計直接影響著可制造性。 恰當的選擇可以實現成本敏感、易于制造的方案，特別是對于大批量產品的生產。值得注意是，更大的天線與更好的天線性能沒有直接關系。當實現了如下設計規則時，體積小巧的陶瓷天線印證了比體積更大的天線的性能要好得多。 圖2 決定真實天線性能的一個方法就是察看它的整體三維輻射效率圖 選擇內置天線 大多數手持設備需要一個內置天線，而不是外部天線，這純粹是出于美學考慮。實際上，根據應用和設備的功能不同可能需要不止一個天線。 內置天線的典型結構是印制金屬、PCB、塑料基板的柔性印制板、彎折天線、LTCC、陶瓷天線、四臂天線和內置板天線。設備的尺寸和機械結構的約束，以及電氣要求，也決定了所要使用的天線的結構和技術。 大多數這種內置天線可以通過SMD工藝安裝、SMT工藝安裝、簧片引腳、壓簧連接、微型U.FL/I-Pex連接器或直接焊接。 當使用長電纜連接時，信號在電纜中的傳輸損耗是很重要的因素，其數值可能達到幾分貝。 要想在具有多頻段應用的小型手持設備中解決這些最困難的設計問題，就會縮小天線和所需技術類型的選擇范圍。這些挑戰是隔離度、最小增益和效率、手臂/身體影響和特殊吸收率。 當小型手持設備中的多個天線位置很近時，隔離度就成為非常重要的問題。工作在相同或相近頻段的天線彼此間就會發生耦合，性能就會降低。 選擇天線所需要的最小增益和效率成為小型設備設計中的一個挑戰，這是由于天線和其他部件的距離很近，如LCD、金屬屏蔽殼、電池，以及其他電子部件等。在比較低頻段的應用中，如850MHz和900MHz頻段，同樣也存在挑戰，這是由于工作頻率越低波長越長。 人體對手持設備的影響也會產生問題，當人們拿著手持設備接近身體組織時，手臂/身體的影響會造成頻率失諧。頻率的諧振就會偏離出工作頻段，從而會由于阻抗的不匹配和天線性能的下降而使信號產生很大的衰減。 此外，靠近手持設備的人體組織也會吸收天線輻射的能量，阻止信號向開放空間傳輸。同樣，由于頻率可調整的需求，SAR指標也應該被考慮到。 由于許多特殊的陶瓷天線有很高的隔離特性和近場輻射分布特性，SAR和身體/手臂的影響可以降到最低，所以，即使是在小型的手持設備中也可以獲得極好的隔離度。 選擇陶瓷天線 在選擇陶瓷天線時，也需要注意一些問題。陶瓷天線有許多種不同的類型，如LTCC天線、陶瓷單極天線等，在比較某些天線制造商獨有的陶瓷天線的時候，人們就會發現天線的性能和應用的效果也是有差別的。 設計和性能指標的一致性是非常重要的，因為這有益于和天線公司的合作，這些公司具有很多的知識產權、很強的研究能力和工程能力。如果天線選擇合適和依照設計指南的正確設計，即使采用微型的陶瓷天線，也可以達到70%～80%的效率，1～2dBi的最大增益，以及好于3dBi的平均增益。 所有的天線都應該進行全屏蔽測試以確保其質量和可靠性。這些測試包括機械結構和可靠性測試，如機械和溫度沖擊測試、振動和極限溫度測試，以及組裝前的機械連接設計測試。電氣特性也應該在一定條件下進行測試，如用塑料殼包裹或電話機殼包裹后測試、靠近人體頭部/手臂模型測試等，就像人們實際使用時那樣。 |
