便携无线产品中的小天线设计实例

cal Electromagnetic Code)这样的建模程序，电路或系统工程师对电磁世界也是陌生的。他们面对的是一个电磁场世界，而不是特定的电压和电流点或以固定回路流动的电子流。

其次，与许多工程设计一样，类似中心频率、带宽、场模式、效率以及组织(lobe)和增益等相互竞争和冲突的属性使得它们之间的平衡取舍很困难。

第三，评估天线性能并不容易，它需要特殊的测试仪器、无反射的腔室或开阔地带。它还需要时间、金钱和专门技能。另外，当评估用户的手对天线的影响，或相反、评估天线辐射对用户手的影响时，要进行正确的测试设置，包括对人的手和头的物理复制。

而且这些还都是理论上的。实际上，还有其它因素在起作用。天线当然占用了PCB空间，其性能属性受附近器件以及用户手、头和身体的显著影响。人体组织的相对介电常数是40，而PCB成分的介电常数约介于25到85，所以人体组织将激励共振元素并影响磁场。

另外，当为了多频带操作或形状多样性设计而需要多个天线时，若干基于PCB天线间以及天线和附近区域间的交感将令性能预测非常困难，且其对细微的布局变化都敏感。

但也存在约束天线场特定吸收率(SAR)的规则。SAR是质量(本例的人体组织)吸收RF能力的比率；通常采用两种方法对其进行测量：一是测由于吸收引起的温升；二是测模拟人体组织的流体的电场。美国联邦通信委员会(FCC)的网站上有更多信息。必须理解和分析天线的近场和远场性能，它们可能紧密相关。

最后，天线并非与无线设备的接收前端或发射功率功放级隔绝独立。电路设计师必须确定天线以及关联级的阻抗，然后设计出一个匹配网络以在整个目标带宽内最大化功率传输(见图2)。

图2：天线子系统包括前端接收放大器或发射放大器、匹配网络和天线本身。

这通常是一项困难的设计工作，涉及到专业计算和测量以及专用工具，例如就需要Smith圆图。

电介质成为天线设计一部分

幸运地是，材料科学和天线理论的发展为设计工程师在外接和基于PCB这两类天线之外，还提供了其它选择。这些天线将天线的体积效率最大化，同时克服或实际上消除了布局影响及匹配的不确定性。与此对照的是，块状和鞭状无线是二维的，其效能主要取决于所处空间而非体积。虽然分立天线切实增加了成本，但它们也常常在改善或保证产品性能的同时减小了尺寸。

听起来也许不合常理，作为绝缘体的电介质会在天线设计和实现中扮演着重要角色。但事实的确如此，在超过50年的时间内，电介质一直是天线设计的一部分，它有助于成型和管理天线模式电场。场能量以相当高的密度积聚并存储在电介质内，所以，外部物体或场具有相对小的影响且并不影响天线的固有共振。

当然，高相对介电常数只是基于电介质的天线取得成功的关键因素之一。材料还需要低电介损失(高Q材料)和低温系数以最小化物理尺度变异，该变异可导致失(调)谐。

例如，英国Sarantel公司的Geohelix天线采用独有的陶瓷材料和形状，与块状和鞭状天线相比，它具有将近场辐射减少最低90%的能力。受用户手和躯体影响的近场在Sarantel天线内几乎是被完全封闭起来的。该天线当带通滤波器使用，以抑制带外信号同时还去掉了做在PCB或机壳上的地平面。

不再需要地平面是该设计具有平衡电流的结果，因流进天线的电流总和为零，所以其共振独立于PCB或封装。与此相对，一个基于微带的块或外接鞭状天线需要一个地平面以取得共振，流进(或流出)天线的电流需要在地平面上生成一个互补电流，这样才能产生共振。

类似，另一家英国公司Antenova拥有一种高电介质天线技术，它提供一种适用于全向、有向甚至多带应用、具有10GHz以上频率响应特性优点的体积式非交感天线。这些高效器件对接近失谐和效应具有相对免疫力。将这些器件整合起来可打造一款具有极佳操控性的智能天线，智能天线被越来越多地用在基站中以扩充系统能力同时改进每个呼叫的性能。

例如，Antenova已开发出一种用于无线LAN、覆盖2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz双频段的双带混合IEEE 802.11a/b/g天线，它具有4×4×20mm的体积(见图3)。

图3：Antenova的高电介质混合天线在一个紧凑封装内提供多带性能

该天线有三个元件：一条微带馈线，它也与接至天线的1.2mm直径、超小同轴电缆馈线匹配；一个发射器件，由1/4波长地块和两个共振器(每频段一个)组成；及一个陶瓷颗粒，它负责激励发射元件并在发射元件和馈线间形成耦合。

不同的方法

不是所有的这些新天线都以陶瓷为核心。巴塞罗纳的Fractus公司将基于不规则碎片几何学的几何模式用于其封装天线(antenna-in-package)设计中。该多带天线能