移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)技巧

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;DigitalCellular）用Diversity天線的設(shè)計(jì)技巧。

　　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。

　　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?，換句話說只要巧妙應(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。

　　一般數(shù)位地表波播送使用波長(zhǎng)為400~600nmUHF（UltraHighFrequency）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。

　　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。

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。

　　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。

　　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。

　　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（PersonalDigitalCellular）用Diversity天線的設(shè)計(jì)技巧。