天线设计面临小尺寸和多天线要求的挑战

Ethertronics公司是位于加州圣地亚哥的一家天线公司。最近我与该公司营销副总裁Rick Segil进行了一次交谈。他说该公司真正取得成功的领域是销售金属弯件令我忍俊不禁。但总的来说，或许这正是所有天线制造商都在做的事。

天线通常确实是用某种弯曲金属制成的金属结构。它们是把电压和电流转换成电场和磁场(或反之)的变换器。每个无线电都需要一个好的天线。即使你拥有世界上最好的发射器、接收器、协议和技术等，但如果没有天线信号就发不出去。在任何无线系统中它都是最重要的一环，尽管事实上许多无线工程师忘记了它的重要地位。

无线器件一直不断地向更高频率迁移，但值得庆幸的是天线却变得越来越小。现在，曾经在无绳电话、蜂窝电话和其它无线设备中常见"鞭状"天线已不再使用，天线通常完全内置在机内。我们在产品上能够看到的天线痕迹最多是一个小的凸起。但这完全没有减小它的重要性。

如果说有了某种变化，那就是把天线放到产品内部使其性能变坏。内置天线的优点是不必伸展出去，否则可伸缩的鞭状天线对用户来说是最好的。取消外部天线也减少了对蜂窝电话和其它无线设备的维修。天线损坏是仅次于不良电池的常见的维修任务，但现在不同了。

对于运行在高UHF和低微波区的蜂窝电话，天线仅有几英寸长。但问题是我们要求它能装在蜂窝电话内。一些设计把天线结合到印刷电路板的铜体上，但人们目前通常使用经过性能优化的分离型天线。一种流行的天线是倒F形平面天线(PIFA天线)。它工作性能良好，但也受到周围物体负载的影响。任何接近天线的器件(如分立元件或相机模块)都可能与天线耦合并吸收一些被发射出去的能量，导致天线效率下降。

另一个严重的问题是用户的手和头对天线的负载效应。握持手机并把它放到耳边将把能量耦合到身体进而使天线失谐并降低效率，而且还将造成人体对电磁辐射的吸收量过大，或者说SAR(特设吸收率，人体单位质量吸收的射频电磁能量)过大。由于电磁辐射对人体有害，SAR越小越好。

这个耦合将会使接收到的和发射出的信号的强度降低。在蜂窝电话中，这个作用使覆盖范围减小并造成掉线增多。在一些电话中通过提高发射功率来补偿信号强度，但这样做会缩短电池寿命。在数据传送情况，信号强度下降将导致数据速率下降，因为有时需要重新传送。所有这一切都是天线性能差造成的。

无论如何，Ethertronics公司已研发出自己独有的被称为隔离型偶磁极(Isolated Magnetic Dipole)的金属弯件。它是一种可把电流流动大部分限制在天线内并可减少对附近物体的耦合和干扰的专利设计。另外，它的SAR水平也非常低。蜂窝电话的总效率得到改善，PFIA从低于20%提高到超过80%，具体数值依赖于工作波段。它提供多波段运行功能且体积比竞争类型稍小。我们更容易把它安装到产品中--即使天线是在设计工作完成之后才加进去的。

天线设计基本上是一种黑色艺术(black art)。在设计中我们需要使用RF理论，但最终的产品常常是经过大量经验性工作(尝试、修改和一次次实验)所得到的结果。结果通常是某种独特的设计，可以像IMD(可植入医疗器件)一样申请专利。其它天线公司(如Sarantel公司和Skycross公司)也在推出独特的设计。一些真正的创新型设计来自制造超宽带天线的公司。Fractus公司拥有的一款基于分形几何学的天线，它可以在UWB所需要的巨大带宽范围内提供低SWR。

对于蜂窝电话、膝上型电脑和PDA等设备，多天线已经成为典范。虽然目前常见的是单天线，但据预测到2008年典型的蜂窝电话可能会带有3到4个天线。除了蜂窝电话天线之外，还将带有为蓝牙、Wi-Fi、GPS等用途而单独配置的天线，至于还可能包含哪些其它用途的天线目前尚难确定，但NFC和WiMAX的可能性很大。把它们安装在哪里，尤其是如何避免它们之间相互干扰都是有待解决的问题。对天线公司来说，这是一个真正的挑战。希望它们的创新可以解决这个难题，这样我们就可以省些力气。

作者：Louis E. Frenzel，通讯/测试编辑，《Electronic Design》