中心議題：

• 小天線的定義
• 小天線設計
• 小天線製作原理分解

解決方案：

• 采用PCB來設計天線
• 用明線結構、環線設計方案

通常在進入設計周期末尾之前，天線設計不會引起太大注意。原因或許就是因為它們是無源器件
，在RF信(xin)號(hao)通(tong)路(lu)中(zhong)所(suo)起(qi)的(de)作(zuo)用(yong)看(kan)來(lai)不(bu)大(da)。也(ye)可(ke)能(neng)是(shi)是(shi)因(yin)為(wei)設(she)計(ji)師(shi)希(xi)望(wang)他(ta)們(men)一(yi)直(zhi)有(you)能(neng)力(li)在(zai)剩(sheng)餘(yu)空(kong)間(jian)內(nei)配(pei)置(zhi)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)和(he)進(jin)行(xing)元(yuan)件(jian)選(xuan)擇(ze)。還(hai)有(you)可(ke)能(neng)是(shi)因(yin)為(wei)天(tian)線(xian)不(bu)是(shi)摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)的(de)受(shou)益(yi)者(zhe)。

無論具體原因何在，便攜無線產品設計人員現如今都麵臨著許多新的工具
、新的方法和新的元件
，從而使得對理想天線的追求又增添了新的折衷過程。在這個過程中，設計人員需要切切實實地在“造和買”之間作出艱難取舍。與你必須花錢購買的有源器件不同，完全可能隻以PCB上幾平方厘米的代價免費製造一個天線。在許多情況下，這是一種有吸引力的可行選項。但在其它許多情況下
，享用這種明顯的“免費午餐”的成本太高。現在，一些更新的天線設計和器件的出現
，使得設計師有了另一種選擇。

小天線的世界

小天線在電氣上的一般定義是：基本元件的尺度短於波長的1/10。對一個300MHz信號，定義上的閥值是10厘米；而在1GHz，該值僅為3厘米。

傳(chuan)統(tong)上(shang)，小(xiao)天(tian)線(xian)僅(jin)能(neng)提(ti)供(gong)有(you)限(xian)的(de)性(xing)能(neng)。若(ruo)你(ni)想(xiang)要(yao)真(zhen)正(zheng)高(gao)效(xiao)的(de)天(tian)線(xian)性(xing)能(neng)，你(ni)需(xu)要(yao)將(jiang)更(geng)多(duo)的(de)金(jin)屬(shu)伸(shen)向(xiang)空(kong)中(zhong)並(bing)采(cai)用(yong)多(duo)種(zhong)或(huo)形(xing)狀(zhuang)複(fu)雜(za)的(de)元(yuan)件(jian)，以(yi)提(ti)升(sheng)增(zeng)益(yi)
、控製帶寬
、改變場型或抑製鄰近信號。另外，你必須確保天線阻抗與RF前端相匹配
，以使功率傳輸最大化。以蜂窩手機和Wi-Fi為代表的向更高頻率RF轉變的主要好處之一，是小天線在這些應用中具備電氣可行性。

雖然天線“族譜”紛繁複雜
，但無論你使用基於PCB的天線還是分立天線，包含小天線的這個分支都需要在設計中很好地進行折衷處理。

PCB天線，既可以是小片或小環，可以是螺旋形或線形。它們的BOM成本可以忽略不計
，隻需要占用PCB空間。值得注意的是，某些PCB天線並非主電路板的一部分
，而是作為獨立器件，通常附在產品外殼裏麵。其性能還取決於布局、幾何尺寸及其與附近元件的相對位置。另外
，用戶的手
、身體或頭部通常對天線性能產生不利影響。產品中元件或PCB布局的任何改變都將波及到天線性能。所以這種設計是受到限製的
，而最終產品定型前的修改也意義不大。

另一方麵

，對天線的修改——無論是為了迎合規範的變化或克服設計缺陷——一旦被確定後都可迅速執行，且不會對BOM產生影響。修改還會影響天線阻抗。所以，你也許還需要改變設計好的匹配電路。

相反
，分立天線會涉及到BOM成本，且通常要由供應商根據特定的頻段

、帶寬及其它性能參數進行專門設計。作為回報
，這種天線比PCB天線占用更少的PCB空間，而且如果不是完全不受影響的話，PCB布局、臨近器件或用戶對其的影響也小得多。天線阻抗由物理設計所固定，所以匹配網絡也被固定了，且與布局
、器件擺放位置無關。這些因素使設計師不再麵對某些挑戰性約束，以及不用再重新設計PCB布局及計算BOM。

自己動手設計天線

對於通常基於PCB的小天線而言，有許多可能的設計方法。最常見的是采用明線(也稱為開口)結構(例如雙極和單極天線)、環線設計(例如環狀天線)
，以及實心塊設計。

開口天線實際上就是自無線電技術發軔之初就業已存在的大個天線的縮微版。實際上
，因HeinrichHertz在其1888年的實驗中采用的就是雙極天線，所以它有時又稱為Hertz天線。它與地平麵是平衡的，在有線和衛星電視出現前，它一直忠實履行著VHFTV兔耳天線的職責。

yushuangjixiangfan，danjitianxianduidishidanduande，suoyixuyaoyigedipingmian。zaixuduowuxianyingyongzhong，danjitianxianzuoweibianzhuangtianxianshiyong。tayebeichengzuomakenitianxian，zaimakenizaoqishiyanzhongyongdejiushizhezhongtianxian。


圖1：環形天線(a)易於實現。矩形塊天線(b)使用規劃得很好的PCB空間(它也可是一個分立器件)

在諸如UHFTV等批量市場使用的環形天線也有悠久曆史。它的周長約等於能接收到信號的波長(見圖1a)。從電氣特性講，矩形塊天線是一個較寬的微帶傳輸線，其長度是工作波長的一半。在圖1b中
，波長不是以真空中的傳播計算的
，而是以絕緣的PCB材料計算的。矩形塊的共振頻段相當窄，所以其工作帶寬也相當窄——約是標稱中心頻率的5%，該特性是好是壞
，取決於具體應用。

所有這三類天線都可用PCB實現，且一個多層PCB能提供多個設計選擇
，包括作為某些結構所需的地平麵。類似遙控開鎖(RKE)以及車庫開啟器等對性能要求不苛刻的應用，采用的就是這種天線設計。
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因PCBtianxiandeshejichengbenkehulvebuji，nameshizaishenmeshihouyoushiyinweishenmeshidetabushishejideyouxianxuanxiangne

？qizhongjigezhipeixingyinsuyuqianduanshejiheshijishishiyouguan。

首先，天線設計並不簡單。即使采用類似數字電磁碼(NumericalElectromagneticCode)這(zhe)樣(yang)的(de)建(jian)模(mo)程(cheng)序(xu)
，電(dian)路(lu)或(huo)係(xi)統(tong)工(gong)程(cheng)師(shi)對(dui)電(dian)磁(ci)世(shi)界(jie)也(ye)是(shi)陌(mo)生(sheng)的(de)。他(ta)們(men)麵(mian)對(dui)的(de)是(shi)一(yi)個(ge)電(dian)磁(ci)場(chang)世(shi)界(jie)
，而(er)不(bu)是(shi)特(te)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)點(dian)或(huo)以(yi)固(gu)定(ding)回(hui)路(lu)流(liu)動(dong)的(de)電(dian)子(zi)流(liu)。

其次，與許多工程設計一樣，類似中心頻率、帶寬、場模式、效率以及組織(lobe)和增益等相互競爭和衝突的屬性使得它們之間的平衡取舍很困難。

第三，評估天線性能並不容易，它需要特殊的測試儀器、無反射的腔室或開闊地帶。它還需要時間、金錢和專門技能。另外，當評估用戶的手對天線的影響，或相反、評估天線輻射對用戶手的影響時，要進行正確的測試設置，包括對人的手和頭的物理複製。

而且這些還都是理論上的。實際上，還有其它因素在起作用。天線當然占用了PCB空間，其性能屬性受附近器件以及用戶手
、頭和身體的顯著影響。人體組織的相對介電常數是40，而PCB成分的介電常數約介於25到85，所以人體組織將激勵共振元素並影響磁場。

另外，當為了多頻帶操作或形狀多樣性設計而需要多個天線時
，若幹基於PCB天線間以及天線和附近區域間的交感將令性能預測非常困難，且其對細微的布局變化都敏感。

但也存在約束天線場特定吸收率(SAR)的規則。SAR是質量(本例的人體組織)吸收RF能力的比率；通常采用兩種方法對其進行測量：一是測由於吸收引起的溫升；二是測模擬人體組織的流體的電場。美國聯邦通信委員會(FCC)的網站上有更多信息。必須理解和分析天線的近場和遠場性能，它們可能緊密相關。

zuihou，tianxianbingfeiyuwuxianshebeidejieshouqianduanhuofashegonglvgongfangjigejueduli。dianlushejishibixuquedingtianxianyijiguanlianjidezukang
，ranhoushejichuyigepipeiwangluoyizaizhenggemubiaodaikuanneizuidahuagonglvchuanshu(見圖2)。

圖2：天線子係統包括前端接收放大器或發射放大器、匹配網絡和天線本身。

電介質成為天線設計一部分

幸運地是，材料科學和天線理論的發展為設計工程師在外接和基於PCBzheliangleitianxianzhiwai
，haitigongleqitaxuanze。zhexietianxianjiangtianxiandetijixiaolvzuidahua
，tongshikefuhuoshijishangxiaochulebujuyingxiangjipipeidebuquedingxing。yuciduizhaodeshi，kuaizhuanghebianzhuangwuxianshierweide，qixiaonengzhuyaoqujueyusuochukongjianerfeitiji。suiranfenlitianxianqieshizengjialechengben，dantamenyechangchangzaigaishanhuobaozhengchanpinxingnengdetongshijianxiaolechicun。

聽起來也許不合常理，作為絕緣體的電介質會在天線設計和實現中扮演著重要角色。但事實的確如此

，在超過50年nian的de時shi間jian內nei
，電dian介jie質zhi一yi直zhi是shi天tian線xian設she計ji的de一yi部bu分fen
，它ta有you助zhu於yu成cheng型xing和he管guan理li天tian線xian模mo式shi電dian場chang。場chang能neng量liang以yi相xiang當dang高gao的de密mi度du積ji聚ju並bing存cun儲chu在zai電dian介jie質zhi內nei，所suo以yi，外wai部bu物wu體ti或huo場chang具ju有you相xiang對dui小xiao的de影ying響xiang且qie並bing不bu影ying響xiang天tian線xian的de固gu有you共gong振zhen。

當然，高相對介電常數隻是基於電介質的天線取得成功的關鍵因素之一。材料還需要低電介損失(高Q材料)和低溫係數以最小化物理尺度變異
，該變異可導致失(調)諧。

例如，英國Sarantel公司的Geohelix天線采用獨有的陶瓷材料和形狀，與塊狀和鞭狀天線相比
，它具有將近場輻射減少最低90%的能力。受用戶手和軀體影響的近場在Sarantel天線內幾乎是被完全封閉起來的。該天線當帶通濾波器使用，以抑製帶外信號同時還去掉了做在PCB或機殼上的地平麵。

不再需要地平麵是該設計具有平衡電流的結果，因流進天線的電流總和為零
，所以其共振獨立於PCB或封裝。與此相對，一個基於微帶的塊或外接鞭狀天線需要一個地平麵以取得共振
，流進(或流出)天線的電流需要在地平麵上生成一個互補電流，這樣才能產生共振。

類似，另一家英國公司Antenova擁有一種高電介質天線技術，它提供一種適用於全向、有向甚至多帶應用

、具有10GHz以(yi)上(shang)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)優(you)點(dian)的(de)體(ti)積(ji)式(shi)非(fei)交(jiao)感(gan)天(tian)線(xian)。這(zhe)些(xie)高(gao)效(xiao)器(qi)件(jian)對(dui)接(jie)近(jin)失(shi)諧(xie)和(he)效(xiao)應(ying)具(ju)有(you)相(xiang)對(dui)免(mian)疫(yi)力(li)。將(jiang)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)整(zheng)合(he)起(qi)來(lai)可(ke)打(da)造(zao)一(yi)款(kuan)具(ju)有(you)極(ji)佳(jia)操(cao)控(kong)性(xing)的(de)智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)，智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)被(bei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)用(yong)在(zai)基(ji)站(zhan)中(zhong)以(yi)擴(kuo)充(chong)係(xi)統(tong)能(neng)力(li)同(tong)時(shi)改(gai)進(jin)每(mei)個(ge)呼(hu)叫(jiao)的(de)性(xing)能(neng)。
例如，Antenova已開發出一種用於無線LAN
、覆蓋2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz雙頻段的雙帶混合IEEE802.11a/b/g天線，它具有4×4×20mm的體積(見圖3)。



圖3：Antenova的高電介質混合天線在一個緊湊封裝內提供多帶性能

該天線有三個元件：一條微帶饋線，它也與接至天線的1.2mm直徑
、超小同軸電纜饋線匹配；一個發射器件，由1/4波長地塊和兩個共振器(每頻段一個)組成；及一個陶瓷顆粒，它負責激勵發射元件並在發射元件和饋線間形成耦合。

不同的方法

不是所有的這些新天線都以陶瓷為核心。巴塞羅納的Fractus公司將基於不規則碎片幾何學的幾何模式用於其封裝天線(antenna-in-package)設計中。該多帶天線能被印在襯底上或嵌入在芯片內。他們提供一種發射效率高於70%、峰值增益高於1dBi
、VSWR低於1.5:1的GSM天線。該天線具有50歐姆不平衡阻抗
，體積僅有10×10×0.9mm。

作為來自同一家供應商CenturionWirelessTechnology(現LairdTechnologies的一部分)的塊狀和分立天線的一種對比
，Centurion提供一種能被附著在產品外殼內的微帶塊天線。它工作在2.4到2.5GHz頻段、43×43×1.65mm大小。在工作頻帶內
，該天線具有5.1dBi的增益和小於2.5:1的VSWR。Centurion相同頻帶的BlackChip表貼天線的增益大於2dBi、VSWR小於2:1
、8×6×2.4mm大小。

大(da)多(duo)關(guan)於(yu)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)的(de)書(shu)籍(ji)充(chong)斥(chi)著(zhe)難(nan)以(yi)用(yong)於(yu)實(shi)際(ji)設(she)計(ji)的(de)複(fu)雜(za)理(li)論(lun)和(he)公(gong)式(shi)。但(dan)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)主(zhu)要(yao)還(hai)是(shi)源(yuan)於(yu)天(tian)線(xian)問(wen)題(ti)的(de)本(ben)來(lai)特(te)性(xing)而(er)不(bu)是(shi)作(zuo)者(zhe)刻(ke)意(yi)要(yao)顯(xian)得(de)晦(hui)澀(se)高(gao)深(shen)。由(you)Newnes/Elsevier出版的DouglasB.Miron寫的《小天線設計》是一本覆蓋了理論、模擬和設計的參考資料。