關(guān)于移動終端的小型高性能天線設(shè)計技巧詳解

移動終端幾乎都是使用小型天線，它的缺點是低效率、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終端小型化的時代趨勢。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，若與波長比較的話，只要導(dǎo)體具備一定大小，基本上就可以當作高天線使用，例如類似移動終端外殼等結(jié)構(gòu)就符合以上條件（圖1）。

目前移動終端使用頻率大多介于800mMHz～2GHz之間，波長相當于150～350nm左右，因此100～200mm的終端尺寸對小型天線非常有利，也就是說只要巧妙應(yīng)用移動終端的機殼，就可以獲得小型、高性能的天線功能，有鑒于此本文以移動終端的機殼當作天線使用為例，依序介紹地表數(shù)位播放用天線與PDC（Personal;DigitalCellular）用Diversity天線的設(shè)計技巧。

移動終端天線的特征

如上所述低效率、窄頻寬是一般小型天線的主要缺點。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，天線附近的實際電界分布狀態(tài)，圖中的單極（Monopole）天線高度為λ/4（此處λ表示天線頻率的對應(yīng)波長）屬于中等大小天線，此時單極天線最大強度大約是-20dB；相較之下逆F天線的高度為λ/10屬於小型天線，此時F天線最大強度則只有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度也不相同。對小型天線而言構(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，會就導(dǎo)致極大的電力（功率）損失，相對的效率也會急遽劣化。

天線的等化G與物理長度L可以用下式表示：G=8log（2L/λ）（dBd）（dBd）為接收電波時的強度（與半波長Dipole比較）指標。此處若將頻率為/20nm移動終端的天線等化代入上式，可以求得-7.7dB左右的（理論）效率，然而實際上移動終端的效率大約只有-1dB。

圖3是移動終端周圍的電界分布狀態(tài)，由圖可知若對天線施加脈沖電界，天線周圍的電界會隨時間改變，例如右圖的電界強度除了天線之外，機殼本體的電界強度也會隨時間改變增大，換句話說只要巧妙應(yīng)用移動終端機殼的電波放射特性，即使小型天線也可以獲得預(yù)期的效果。

一般數(shù)位地表波播送使用波長為400~600nmUHF（UltraHighFrequency）的頻寬，然而實際上物理特性上限制，使得一般傳統(tǒng)移動終端得天線不容易小型化，因此將移動終端機殼的改成抽取或是折疊設(shè)計，形成如圖4右側(cè)直接激振天線。

接著在波暗室內(nèi)實際測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，因此測試時被測天線必需遠離人體，此外電波幾乎是從水平方向入射，所以本測試是以水平面內(nèi)的放射pattern作為討論對象。

圖5是各天線在波暗室內(nèi)測試獲得的結(jié)果；表1以Dipole天線作比較基準時的等化平均值，由表1的計算結(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。

根據(jù)上述測試結(jié)果進行屋外測試，測試時在兩處際野外（Field）作收、送訊試驗。波暗室內(nèi)測試時被測天線遠離人體旋轉(zhuǎn)一圈，依此計算天線的平均收訊功率；相較之下屋外測試時則攜帶被測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，計算天線的平均收訊功率。根據(jù)表1的計算結(jié)果顯示，兩種天線在四個場地的平均收訊功率幾乎完全相同，它與上述波暗室內(nèi)測試結(jié)果一致，依此證明只要巧妙應(yīng)用移動終端機殼的電波放射特性，即使小型天線也可以獲得預(yù)期的效果。

表1各天線的等化特性

Diversity天線的設(shè)計

移動通訊系統(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)計訴求是收訊用途，所以涉及天線的設(shè)置場所與天線構(gòu)造。

此處采取在連接移動通訊系統(tǒng)折疊機殼上增設(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)計最大優(yōu)點是可以大幅縮小天線的設(shè)置場所與天線結(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)置在折疊機殼兩接地（Ground）中央，兩接地之間再鋪設(shè)信號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的測試結(jié)果顯示，Z=Z0（開放）與Z=Z1（容量性）時，放射pattern發(fā)生明顯改變，Z=Z0時放射pattern呈側(cè)向8字形，Z=Z1時放射pattern與Z=Z0截然不同，換句話說即使相同天線，隨著Z的變化會出現(xiàn)不同的放射現(xiàn)象。

為了探討放射pattern的變化原理，因此對機殼施加電流藉此觀察電流分布特性，根據(jù)圖8的測試結(jié)果顯示，Z=Z0時上下機殼都有同相電流流動，而且與圖7的放射pattern一樣都是呈側(cè)向8字形，由于Z=Z0時為同相電流，因此電界是以側(cè)向加算；相對的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就能夠控制機殼上的電流，并使電流產(chǎn)生的放射pattern發(fā)生變化。

結(jié)語

以上介紹利用移動終端的機殼當作導(dǎo)體，設(shè)計小型高性能天線的技巧，同時探討地表數(shù)位播放用天線與PDC（PersonalDigitalCellular）用Diversity天線的設(shè)計技巧。