如何為手持設(shè)備選擇合適的天線?
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天線是影響所有無線通信系統(tǒng)可靠性和性能的眾多因素中很關(guān)鍵的一個(gè)。選擇能完全滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的天線是非常重要的。
然而，現(xiàn)今的小型手持設(shè)備也給天線設(shè)計(jì)工程師帶來了挑戰(zhàn)，天線要盡量薄、結(jié)構(gòu)要緊湊、性能要高，而且還要滿足各種各樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。面市時(shí)間和成本也是制造商要考慮的兩個(gè)重要因素。
為系統(tǒng)選擇最好的天線的兩個(gè)主要條件是天線的電氣和機(jī)械特性。這些指標(biāo)受設(shè)備的設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)所限制。
基本的電氣特性
應(yīng)該考慮的基本電氣特性是天線的工作頻率、帶寬、最大增益、平均增益、效率、回波損耗，或者電壓駐波比(VSWR)，以及極化方向、指向性、副瓣和后瓣輻射強(qiáng)度、前后比、相位方向圖、阻抗和額定功率。天線的構(gòu)成材料和實(shí)際的射頻RF設(shè)計(jì)也決定了天線的最終電氣性能。天線的構(gòu)成材料應(yīng)該有很低的損耗和很好的傳導(dǎo)率。
工作頻率
工作頻率的范圍由應(yīng)用的類型決定。例如，Wi-Fi 802.11b/g、ZigBee和BlueTooth都使用相同的2.4GHz ISM頻段，該頻段的帶寬大約是80MHz(2.4～2.48GHz)。商業(yè)GPS系統(tǒng)使用L1 1.575GHz頻段，其帶寬為2MHz(1575.42MHz1MHz)。
GSM系統(tǒng)使用850/1900MHz頻段，或者900/1800MHz頻段，具體采用哪個(gè)頻段取決于相應(yīng)地區(qū)的運(yùn)營商。3G系統(tǒng)也使用不同的頻段，也是與地區(qū)相關(guān)的。例如，歐洲的WCDMA系統(tǒng)使用2.1GHz頻段。
四或五頻段移動(dòng)電話的天線主要用于全球漫游，以及實(shí)現(xiàn)不同通信體制間的通信，如圖1所示。它們可以在四頻段GSM系統(tǒng)和W-CDMA2100系統(tǒng)中收發(fā)信號以實(shí)現(xiàn)在所有移動(dòng)電話頻段內(nèi)的互通。其他一些應(yīng)用也包括WiMax、UWB、ISM900、ISM5/5.8GHz、DVB-H、MediaFLO、DECT、RFID、VHF、UHF、AM和FM等。
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圖1 內(nèi)置的、混合型移動(dòng)電話五頻段天線通常用于全球漫游和不同通信技術(shù)體制間的通信 本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/355125.htm |
多天線系統(tǒng)，例如分集和多天線系統(tǒng)(MIMO)被用在需要提高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用中。使用多天線系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)和表征整個(gè)天線系統(tǒng)是至關(guān)重要的，這包括天線與天線之間的隔離度和相關(guān)性測試等。
增益和效率
最大增益、平均增益和效率決定了天線的帶寬和性能。這些指標(biāo)越高，天線的帶寬和性能就越好。而且，天線在它的工作頻率范圍內(nèi)也應(yīng)該有足夠的VSWR。
通常，10dB的回波損耗(2.0:1.0 VSWR)或更好是人們預(yù)期的指標(biāo)。為了獲得天線整體性能的更好相位圖，應(yīng)該考慮效率的最大增益或者平均增益。但是不要陷進(jìn)僅考慮這些特性中的一個(gè)就得出一個(gè)結(jié)論。
最大峰值增益是衡量天線指向性的一個(gè)很好指標(biāo)，但如果把它作為決定常規(guī)天線性能的主要標(biāo)準(zhǔn)則會被誤導(dǎo)。通常，越是復(fù)雜的設(shè)備中，增益會越低，所以當(dāng)天線被安裝在實(shí)際的設(shè)備中時(shí)就會產(chǎn)生損耗。
這是由于高的峰值增益總是意味著指向性的某一強(qiáng)度，而且可能導(dǎo)致天線在某個(gè)方向上增益更低，這是由于在相位方向圖中某方向的零強(qiáng)度。人們應(yīng)該選擇一個(gè)在推薦的分貝值之上還有余量的天線，以確保它滿足實(shí)際環(huán)境中的系統(tǒng)需求。
大多數(shù)的無線系統(tǒng)都有50Ω的阻抗，天線也應(yīng)該盡可能地與這個(gè)值匹配，以減少系統(tǒng)中的不匹配/損耗。為了全面表征天線的特性，其他要考慮的因素還包括極化方向(垂直極化、水平極化，或圓極化)，以及相位方向圖(在xz平面、zy平面和xy平面)等。
大多數(shù)手持便攜設(shè)備需要一個(gè)線性極化天線，并且具有用于覆蓋360全方向的全向相位方向圖，但真正的全向相位方向圖只是理論上的。
通常，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)影響天線相位方向圖的形狀，并在相位方向圖中產(chǎn)生零強(qiáng)度和指向性。如圖2所示，在許多情況下，決定真實(shí)天線性能的最好方式是天線的完整三維輻射效率，因?yàn)樗@示了有多少天線的能量被轉(zhuǎn)換成輻射波傳輸出去，以及由于天線阻抗不匹配所造成的損耗和輻射損耗有多少。
特別是在小型便攜或手持設(shè)備中，由于實(shí)際使用的設(shè)備可能是朝著任意方向，三維效率是比最大增益更好的參數(shù)。此外，由于最大增益峰值波束可能朝向用戶的身體，增益會由于人體衰減而降低。
機(jī)械結(jié)構(gòu)布局
設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)布局決定了所需要的天線的尺寸和類型，而天線的尺寸和類型也限制和決定了天線的電氣特性。因此，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮到天線的選擇。
典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性就是形狀要素(外部的或內(nèi)部的)、結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝方式、連接形式、美學(xué)考慮，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的持久性和天線部件的可靠性。設(shè)備和天線這兩者的構(gòu)成材料選擇和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響著可制造性。
恰當(dāng)?shù)倪x擇可以實(shí)現(xiàn)成本敏感、易于制造的方案，特別是對于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。值得注意是，更大的天線與更好的天線性能沒有直接關(guān)系。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了如下設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，體積小巧的陶瓷天線印證了比體積更大的天線的性能要好得多。
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圖2 決定真實(shí)天線性能的一個(gè)方法就是察看它的整體三維輻射效率圖 |
大多數(shù)手持設(shè)備需要一個(gè)內(nèi)置天線，而不是外部天線，這純粹是出于美學(xué)考慮。實(shí)際上，根據(jù)應(yīng)用和設(shè)備的功能不同可能需要不止一個(gè)天線。
內(nèi)置天線的典型結(jié)構(gòu)是印制金屬、PCB、塑料基板的柔性印制板、彎折天線、LTCC、陶瓷天線、四臂天線和內(nèi)置板天線。設(shè)備的尺寸和機(jī)械結(jié)構(gòu)的約束，以及電氣要求，也決定了所要使用的天線的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。
大多數(shù)這種內(nèi)置天線可以通過SMD工藝安裝、SMT工藝安裝、簧片引腳、壓簧連接、微型U.FL/I-Pex連接器或直接焊接。 當(dāng)使用長電纜連接時(shí)，信號在電纜中的傳輸損耗是很重要的因素，其數(shù)值可能達(dá)到幾分貝。
要想在具有多頻段應(yīng)用的小型手持設(shè)備中解決這些最困難的設(shè)計(jì)問題，就會縮小天線和所需技術(shù)類型的選擇范圍。這些挑戰(zhàn)是隔離度、最小增益和效率、手臂/身體影響和特殊吸收率。
當(dāng)小型手持設(shè)備中的多個(gè)天線位置很近時(shí)，隔離度就成為非常重要的問題。工作在相同或相近頻段的天線彼此間就會發(fā)生耦合，性能就會降低。
選擇天線所需要的最小增益和效率成為小型設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)挑戰(zhàn)，這是由于天線和其他部件的距離很近，如LCD、金屬屏蔽殼、電池，以及其他電子部件等。在比較低頻段的應(yīng)用中，如850MHz和900MHz頻段，同樣也存在挑戰(zhàn)，這是由于工作頻率越低波長越長。
人體對手持設(shè)備的影響也會產(chǎn)生問題，當(dāng)人們拿著手持設(shè)備接近身體組織時(shí)，手臂/身體的影響會造成頻率失諧。頻率的諧振就會偏離出工作頻段，從而會由于阻抗的不匹配和天線性能的下降而使信號產(chǎn)生很大的衰減。
此外，靠近手持設(shè)備的人體組織也會吸收天線輻射的能量，阻止信號向開放空間傳輸。同樣，由于頻率可調(diào)整的需求，SAR指標(biāo)也應(yīng)該被考慮到。
由于許多特殊的陶瓷天線有很高的隔離特性和近場輻射分布特性，SAR和身體/手臂的影響可以降到最低，所以，即使是在小型的手持設(shè)備中也可以獲得極好的隔離度。
選擇陶瓷天線
在選擇陶瓷天線時(shí)，也需要注意一些問題。陶瓷天線有許多種不同的類型，如LTCC天線、陶瓷單極天線等，在比較某些天線制造商獨(dú)有的陶瓷天線的時(shí)候，人們就會發(fā)現(xiàn)天線的性能和應(yīng)用的效果也是有差別的。
設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)的一致性是非常重要的，因?yàn)檫@有益于和天線公司的合作，這些公司具有很多的知識產(chǎn)權(quán)、很強(qiáng)的研究能力和工程能力。如果天線選擇合適和依照設(shè)計(jì)指南的正確設(shè)計(jì)，即使采用微型的陶瓷天線，也可以達(dá)到70%～80%的效率，1～2dBi的最大增益，以及好于3dBi的平均增益。
所有的天線都應(yīng)該進(jìn)行全屏蔽測試以確保其質(zhì)量和可靠性。這些測試包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和可靠性測試，如機(jī)械和溫度沖擊測試、振動(dòng)和極限溫度測試，以及組裝前的機(jī)械連接設(shè)計(jì)測試。電氣特性也應(yīng)該在一定條件下進(jìn)行測試，如用塑料殼包裹或電話機(jī)殼包裹后測試、靠近人體頭部/手臂模型測試等，就像人們實(shí)際使用時(shí)那樣。
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