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移动终 端天线设计应该要注意什么

目录:解决方案 人气:9 发表时间:2011-9-2 9:43:23
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包含移 动终端在内的天线性能与外形大小有密切关系。论及天 线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 天线定义为小型天线(以下简称为小型天线)。

移动终 端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 此一来却违背移动终端小型化的时代趋势。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;DigitalCellular)用Diversity天线的设计技巧。



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。



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。 



一般数 位地表波播送使用波长为400~600nmUHF(UltraHighFrequency)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设计,形成如图4右侧直接激振天线。



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。 



根据上 述测试结果进行屋外测试,测试时在两处际野外(Field)作收、送讯试验。波暗室 内测试时被测天线远离人体旋转一圈,依此计 算天线的平均收讯功率;相较之 下屋外测试时则携带被测天线步行约十分钟左右回旋路程,接着再以Dipole天线作比较基准,计算天 线的平均收讯功率。根据表1的计算结果显示,两种天 线在四个场地的平均收讯功率几乎完全相同,它与上 述波暗室内测试结果一致,依此证 明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。 

表1各天线的等化特性



Diversity天线的设计

移动通 讯系统为了抑制衰减(Fading)造成通讯品质恶化,因此通常都采用Diversity天线。上节介绍的两种Diversity天线,主要设 计诉求是收讯用途,所以涉 及天线的设置场所与天线构造。

此处采 取在连接移动通讯系统折叠机壳上增设阻抗(Impedance)Z,如此就 能够利用一种天线获得多样的放射pattern,这种设 计最大优点是可以大幅缩小天线的设置场所与天线结构物的尺寸。

图6是Diversity天线的构造,如图所 示它是将天线设置在折叠机壳两接地(Ground)中央,两接地 之间再铺设信号线与并排连接的阻抗,接着改 变阻抗观察放射pattern。根据图7的测试结果显示,Z=Z0(开放)与Z=Z1(容量性)时,放射pattern发生明显改变,Z=Z0时放射pattern呈侧向8字形,Z=Z1时放射pattern与Z=Z0截然不同,换句话 说即使相同天线,随着Z的变化 会出现不同的放射现象。



为了探讨放射pattern的变化原理,因此对 机壳施加电流藉此观察电流分布特性,根据图8的测试结果显示,Z=Z0时上下 机壳都有同相电流流动,而且与图7的放射pattern一样都是呈侧向8字形,由于Z=Z0时为同相电流,因此电 界是以侧向加算;相对的Z=Z1则变成逆相电流,因此电 界横向相互抵销,放射pattern整体呈蝶翼状。由此可知只要改变抗Z就能够 控制机壳上的电流,并使电流产生的放射pattern发生变化。

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