基于PCB的小天線設(shè)計(jì)

通常在進(jìn)入設(shè)計(jì)周期末尾之前，天線設(shè)計(jì)不會(huì)引起太大注意。原因或許就是因?yàn)樗鼈兪菬o源器件，在RF信號(hào)通路中所起的作用看來不大。也可能是是因?yàn)樵O(shè)計(jì)師希望他們一直有能力在剩余空間內(nèi)配置天線設(shè)計(jì)和進(jìn)行元件選擇。還有可能是因?yàn)樘炀€不是摩爾定律的受益者。無論具體原因何在，便攜無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員現(xiàn)如今都面臨著許多新的工具、新的方法和新的元件，從而使得對(duì)理想天線的追求又增添了新的折衷過程。在這個(gè)過程中，設(shè)計(jì)人員需要切切實(shí)實(shí)地在“造和買”之間作出艱難取舍。與你必須花錢購(gòu)買的有源器件不同，完全可能只以PCB上幾平方厘米的代價(jià)免費(fèi)制造一個(gè)天線。在許多情況下，這是一種有吸引力的可行選項(xiàng)。但在其它許多情況下，享用這種明顯的“免費(fèi)午餐”的成本太高?，F(xiàn)在，一些更新的天線設(shè)計(jì)和器件的出現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)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：基本元件的尺度短于波長(zhǎng)的1/10。對(duì)一個(gè)300MHz信號(hào)，定義上的閥值是10厘米；而在1GHz，該值僅為3厘米。

傳統(tǒng)上，小天線僅能提供有限的性能。若你想要真正高效的天線性能，你需要將更多的金屬伸向空中并采用多種或形狀復(fù)雜的元件，以提升增益、控制帶寬、改變場(chǎng)型或抑制鄰近信號(hào)。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(jī)和Wi-Fi為代表的向更高頻率RF轉(zhuǎn)變的主要好處之一，是小天線在這些應(yīng)用中具備電氣可行性。

雖然天線“族譜”紛繁復(fù)雜，但無論你使用基于PCB的天線還是分立天線，包含小天線的這個(gè)分支都需要在設(shè)計(jì)中很好地進(jìn)行折衷處理。

PCB天線，既可以是小片或小環(huán)，可以是螺旋形或線形。它們的BOM成本可以忽略不計(jì)，只需要占用PCB空間。值得注意的是，某些PCB天線并非主電路板的一部分，而是作為獨(dú)立器件，通常附在產(chǎn)品外殼里面。其性能還取決于布局、幾何尺寸及其與附近元件的相對(duì)位置。另外，用戶的手、身體或頭部通常對(duì)天線性能產(chǎn)生不利影響。產(chǎn)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(shè)計(jì)是受到限制的，而最終產(chǎn)品定型前的修改也意義不大。

另一方面，對(duì)天線的修改——無論是為了迎合規(guī)范的變化或克服設(shè)計(jì)缺陷——一旦被確定后都可迅速執(zhí)行，且不會(huì)對(duì)BOM產(chǎn)生影響。修改還會(huì)影響天線阻抗。所以，你也許還需要改變?cè)O(shè)計(jì)好的匹配電路。

相反，分立天線會(huì)涉及到BOM成本，且通常要由供應(yīng)商根據(jù)特定的頻段、帶寬及其它性能參數(shù)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。作為回報(bào)，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(duì)其的影響也小得多。天線阻抗由物理設(shè)計(jì)所固定，所以匹配網(wǎng)絡(luò)也被固定了，且與布局、器件擺放位置無關(guān)。這些因素使設(shè)計(jì)師不再面對(duì)某些挑戰(zhàn)性約束，以及不用再重新設(shè)計(jì)PCB布局及計(jì)算BOM。

自己動(dòng)手設(shè)計(jì)天線

對(duì)于通常基于PCB的小天線而言，有許多可能的設(shè)計(jì)方法。最常見的是采用明線（也稱為開口）結(jié)構(gòu)（例如雙極和單極天線）、環(huán)線設(shè)計(jì)（例如環(huán)狀天線），以及實(shí)心塊設(shè)計(jì)。

開口天線實(shí)際上就是自無線電技術(shù)發(fā)軔之初就業(yè)已存在的大個(gè)天線的縮微版。實(shí)際上，因Heinrich Hertz在其1888年的實(shí)驗(yàn)中采用的就是雙極天線，所以它有時(shí)又稱為Hertz天線。它與地平面是平衡的，在有線和衛(wèi)星電視出現(xiàn)前，它一直忠實(shí)履行著VHF TV兔耳天線的職責(zé)。

與雙極相反，單極天線對(duì)地是單端的，所以需要一個(gè)地平面。在許多無線應(yīng)用中，單極天線作為鞭狀天線使用。它也被稱作馬可尼天線，在馬可尼早期實(shí)驗(yàn)中用的就是這種天線。

圖1：環(huán)形天線（a）易于實(shí)現(xiàn)。矩形塊天線（b）使用規(guī)劃得很好的PCB空間（它也可是一個(gè)分立器件）

在諸如UHF TV等批量市場(chǎng)使用的環(huán)形天線也有悠久歷史。它的周長(zhǎng)約等于能接收到信號(hào)的波長(zhǎng)（見圖1a）。從電氣特性講，矩形塊天線是一個(gè)較寬的微帶傳輸線，其長(zhǎng)度是工作波長(zhǎng)的一半。在圖1b中，波長(zhǎng)不是以真空中的傳播計(jì)算的，而是以絕緣的PCB材料計(jì)算的。矩形塊的共振頻段相當(dāng)窄，所以其工作帶寬也相當(dāng)窄——約是標(biāo)稱中心頻率的5%，該特性是好是壞，取決于具體應(yīng)用。

所有這三類天線都可用PCB實(shí)現(xiàn)，且一個(gè)多層PCB能提供多個(gè)設(shè)計(jì)選擇，包括作為某些結(jié)構(gòu)所需的地平面。類似遙控開鎖（RKE）以及車庫開啟器等對(duì)性能要求不苛刻的應(yīng)用，采用的就是這種天線設(shè)計(jì)。

因PCB天線的設(shè)計(jì)成本可忽略不計(jì)，那么是在什么時(shí)候又是因?yàn)槭裁词沟盟皇窃O(shè)計(jì)的優(yōu)先選項(xiàng)呢？其中幾個(gè)支配性因素與前端設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)施有關(guān)。

首先，天線設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單。即使采用類似數(shù)字電磁碼（Numerical Electromagnetic Code）這樣的建模程序，電路或系統(tǒng)工程師對(duì)電磁世界也是陌生的。他們面對(duì)的是一個(gè)電磁場(chǎng)世界，而不是特定的電壓和電流點(diǎn)或以固定回路流動(dòng)的電子流。

其次，與許多工程設(shè)計(jì)一樣，類似中心頻率、帶寬、場(chǎng)模式、效率以及組織（lobe）和增益等相互競(jìng)爭(zhēng)和沖突的屬性使得它們之間的平衡取舍很困難。

第三，評(píng)估天線性能并不容易，它需要特殊的測(cè)試儀器、無反射的腔室或開闊地帶。它還需要時(shí)間、金錢和專門技能。另外，當(dāng)評(píng)估用戶的手對(duì)天線的影響，或相反、評(píng)估天線輻射對(duì)用戶手的影響時(shí)，要進(jìn)行正確的測(cè)試設(shè)置，包括對(duì)人的手和頭的物理復(fù)制。

而且這些還都是理論上的。實(shí)際上，還有其它因素在起作用。天線當(dāng)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(duì)介電常數(shù)是40，而PCB成分的介電常數(shù)約介于25到85，所以人體組織將激勵(lì)共振元素并影響磁場(chǎng)。

另外，當(dāng)為了多頻帶操作或形狀多樣性設(shè)計(jì)而需要多個(gè)天線時(shí)，若干基于PCB天線間以及天線和附近區(qū)域間的交感將令性能預(yù)測(cè)非常困難，且其對(duì)細(xì)微的布局變化都敏感。

但也存在約束天線場(chǎng)特定吸收率（SAR）的規(guī)則。SAR是質(zhì)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(duì)其進(jìn)行測(cè)量：一是測(cè)由于吸收引起的溫升；二是測(cè)模擬人體組織的流體的電場(chǎng)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的網(wǎng)站上有更多信息。必須理解和分析天線的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)性能，它們可能緊密相關(guān)。

最后，天線并非與無線設(shè)備的接收前端或發(fā)射功率功放級(jí)隔絕獨(dú)立。電路設(shè)計(jì)師必須確定天線以及關(guān)聯(lián)級(jí)的阻抗，然后設(shè)計(jì)出一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)以在整個(gè)目標(biāo)帶寬內(nèi)最大化功率傳輸（見圖2）。

圖2：天線子系統(tǒng)包括前端接收放大器或發(fā)射放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線本身。

這通常是一項(xiàng)困難的設(shè)計(jì)工作，涉及到專業(yè)計(jì)算和測(cè)量以及專用工具，例如就需要Smith圓圖。

電介質(zhì)成為天線設(shè)計(jì)一部分

幸運(yùn)地是，材料科學(xué)和天線理論的發(fā)展為設(shè)計(jì)工程師在外接和基于PCB這兩類天線之外，還提供了其它選擇。這些天線將天線的體積效率最大化，同時(shí)克服或?qū)嶋H上消除了布局影響及匹配的不確定性。與此對(duì)照的是，塊狀和鞭狀無線是二維的，其效能主要取決于所處空間而非體積。雖然分立天線切實(shí)增加了成本，但它們也常常在改善或保證產(chǎn)品性能的同時(shí)減小了尺寸。

聽起來也許不合常理，作為絕緣體的電介質(zhì)會(huì)在天線設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中扮演著重要角色。但事實(shí)的確如此，在超過50年的時(shí)間內(nèi)，電介質(zhì)一直是天線設(shè)計(jì)的一部分，它有助于成型和管理天線模式電場(chǎng)。場(chǎng)能量以相當(dāng)高的密度積聚并存儲(chǔ)在電介質(zhì)內(nèi)，所以，外部物體或場(chǎng)具有相對(duì)小的影響且并不影響天線的固有共振。

當(dāng)然，高相對(duì)介電常數(shù)只是基于電介質(zhì)的天線取得成功的關(guān)鍵因素之一。材料還需要低電介損失（高Q材料）和低溫系數(shù)以最小化物理尺度變異，該變異可導(dǎo)致失（調(diào)）諧。

例如，英國(guó)Sarantel公司的Geohelix天線采用獨(dú)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(chǎng)輻射減少最低90%的能力。受用戶手和軀體影響的近場(chǎng)在Sarantel天線內(nèi)幾乎是被完全封閉起來的。該天線當(dāng)帶通濾波器使用，以抑制帶外信號(hào)同時(shí)還去掉了做在PCB或機(jī)殼上的地平面。

不再需要地平面是該設(shè)計(jì)具有平衡電流的結(jié)果，因流進(jìn)天線的電流總和為零，所以其共振獨(dú)立于PCB或封裝。與此相對(duì)，一個(gè)基于微帶的塊或外接鞭狀天線需要一個(gè)地平面以取得共振，流進(jìn)（或流出）天線的電流需要在地平面上生成一個(gè)互補(bǔ)電流，這樣才能產(chǎn)生共振。

類似，另一家英國(guó)公司Antenova擁有一種高電介質(zhì)天線技術(shù)，它提供一種適用于全向、有向甚至多帶應(yīng)用、具有10GHz以上頻率響應(yīng)特性優(yōu)點(diǎn)的體積式非交感天線。這些高效器件對(duì)接近失諧和效應(yīng)具有相對(duì)免疫力。將這些器件整合起來可打造一款具有極佳操控性的智能天線，智能天線被越來越多地用在基站中以擴(kuò)充系統(tǒng)能力同時(shí)改進(jìn)每個(gè)呼叫的性能。

例如，Antenova已開發(fā)出一種用于無線LAN、覆蓋2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz雙頻段的雙帶混合IEEE 802.11a/b/g天線，它具有4×4×20mm的體積（見圖3）。

圖3：Antenova的高電介質(zhì)混合天線在一個(gè)緊湊封裝內(nèi)提供多帶性能

該天線有三個(gè)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(gè)發(fā)射器件，由1/4波長(zhǎng)地塊和兩個(gè)共振器（每頻段一個(gè)）組成；及一個(gè)陶瓷顆粒，它負(fù)責(zé)激勵(lì)發(fā)射元件并在發(fā)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公司將基于不規(guī)則碎片幾何學(xué)的幾何模式用于其封裝天線（antenna-in-package）設(shè)計(jì)中。該多帶天線能被印在襯底上或嵌入在芯片內(nèi)。他們提供一種發(fā)射效率高于70%、峰值增益高于1dBi、VSWR低于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(yīng)商Centurion Wireless Technology（現(xiàn)Laird Technologies的一部分）的塊狀和分立天線的一種對(duì)比，Centurion提供一種能被附著在產(chǎn)品外殼內(nèi)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(nèi)，該天線具有5.1dBi的增益和小于2.5:1的VSWR。Centurion相同頻帶的BlackChip表貼天線的增益大于2dBi、VSWR小于2:1、8×6×2.4mm大小。