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移动终端天线的设计技巧

作者:时间:2009-07-23来源:网络收藏

  包含在内的性能与外形大小有密切关系。论及时通常会使用以物理长度的频率波长制定的规格化电气性长度,一般是将电气性长度为低于1/2π以下的定义为小型天线(以下简称为小型天线)。

本文引用地址:http://www.amcfsurvey.com/article/157949.htm

  几乎都是使用小型天线,它的缺点是低效率、窄频宽,为了确保天线的性能,因此天线小型化有一定的极限,然而如此一来却违背小型化的时代趋势。所幸的是天线使用的元件大多是可以创造空间的导体,若与波长比较的话,只要导体具备一定大小,基本上就可以当作高天线使用,例如类似移动终端外壳等结构就符合以上条件(图1)。

  目前移动终端使用频率大多介于800mMHz~2GHz之间,波长相当于150~350nm左右,因此100~200mm的终端尺寸对小型天线非常有利,也就是说只要巧妙应用移动终端的机壳,就可以获得小型、高性能的天线功能,有鉴于此本文以移动终端的机壳当作天线使用为例,依序介绍地表数位播放用天线与PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天线的

  
  图1 各种天线的特征

  移动终端天线的特征

  如上所述低效率、窄频宽是一般小型天线的主要缺点。天线的比频宽(以中心频率制定的频率范围)与天线大小有密切关系,小型天线的频宽则与天线的体积呈比例关系。天线的效率可以用下式表示:

  η= Pr/(Pr+Pd)

  η:天线的效率。

  Pr:放射功率。

  Pd:损失功率。

  由上式可知如果缩任意小天线大小的话,Pr会比Pd小导致放射效率大幅降低,这种现象尤其是天线附近的电磁界更加明显。图2是提供相同电力给两种天线时,天线附近的实际电界分布状态,图中的单极(Monopole)天线高度为λ/4(此处λ表示天线频率的对应波长)属于中等大小天线,此时单极天线最大强度大约是-20dB;相较之下逆F天线的高度为λ/10属於小型天线,此时F天线最大强度则只有0dB,由此可知即使相同电力随着天线大小的差异,天线附近的电界(电压)分布状态则截然不同,同样的磁界亦即电流强度也不相同。对小型天线而言构成天线的导体与天线周围的空间,若是属于有耗损性的媒体时,会就导致极大的电力(功率)损失,相对的效率也会急遽劣化。 

  
图2 天线附近的实际电界分布状态

  天线的等化G 与物理长度L可以用下式表示:G= 8log (2L/λ) (dBd)(dBd)为接收电波时的强度(与半波长Dipole比较)指标。此处若将频率为 /20nm移动终端的天线等化代入上式,可以求得-7.7dB左右的(理论)效率,然而实际上移动终端的效率大约只有-1dB。

  图3是移动终端周围的电界分布状态,由图可知若对天线施加脉冲电界,天线周围的电界会随时间改变,例如右图的电界强度除了天线之外,机壳本体的电界强度也会随时间改变增大,换句话说只要巧妙应用移动终端机壳的电波放射特性,即使小型天线也可以获得预期的效果。 

  

  图3 移动终端周围的电界分布

  一般数位地表波播送使用波长为400~600nm UHF(Ultra High Frequency)的频宽,然而实际上物理特性上限制,使得一般传统移动终端得天线不容易小型化,因此将移动终端机壳的改成抽取或是折叠,形成如图4右侧直接激振天线。

     

图4 地表数位信号接收用天线

  接着在波暗室内实际测试上述两种天线的水平面内放射pattern,必需注意的是天线的特性极易受到包含人体在内使用环境的影响,因此测试时被测天线必需远离人体,此外电波几乎是从水平方向入射,所以本测试是以水平面内的放射pattern作为讨论对象

  图5是各天线在波暗室内测试获得的结果;表1以Dipole天线作比较基准时的等化平均值,由表1的计算结果可知传统Monopole天线与Dipole天线具备-2.5~2.8dB 相同程度的平均等化值。 

  

   图5 两种天线的放射pattern


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