电小天线的基础原理和技术分析

辐射效率低是其突出的问题。
 
工作频带窄 
既然小天线相当于电容或电感，并且其电阻成分低，亦即其具有一定的高品质因数Q，而Q值反比于带宽，因此小天线的工作频带比较窄，这就意味着工作频带宽度也是在设计小天线中应当重视的问题。
 
辐射效率和带宽在电小天线设计中比其他指标突出，因此有时将 或 作为电小天线的特定指标。在增益一定的情况下，应设法降低Q值，Q值一定时则应设法增大G。对发射天线来说，如果在满足带宽的要求下确定Q，则此时增益或辐射效率高成为主要设计依据，而对接收天线来说，只要满足噪声的要求下，辐射效率的高低并不像发射天线那么重要。
 
2.Chu极限定理 
Chu极限定理认为，电小尺寸天线的Q值取值范围由以下公式表达：

式中k为波数，r为天线最大方向上的尺寸。
根据Chu极限定理，我们可以得到如下重要概念：由于Q值与带宽成反比，与天线最大尺寸的三次方也成反比，而天线尺寸的三次方又反映天线占用的空间大小。因此电小天线所能达到的最大带宽与天线占用的空间成正比。因此，对电小天线设计而言，要获得大的带宽，必须保证为电小天线预留足够的空间。
由前面提到的电小天线的特定设计指标 以及有关实验证实，在电小天线的带宽和辐射效率之间存在一种近似的折中关系。因此Chu极限定理反映的是极限带宽与占用空间的关系，也可以说是极限辐射效率与占用空间的关系。
在手机天线设计中，这一点具有非常重要的含义。我们设计天线的结构时，最容易犯的错误就是以为内置天线附近空间很大，可以放些马达、音腔、摄像头、金属圈进去，因为那里有足够的空间，而手机板上其余部分空间已经不足。这些情况在天线设计中应尽量避免，或做慎重考虑。
 
[说明] 事实上，当在电小天线附近放置具有金属材料等物体时，它不仅缩小了天线实际占用的空间，导致极限带宽的下降；而且增大的损耗电阻，造成辐射效率的降低。因此天线占用空间的缩小会直接导致天线性能的急剧恶化。
 
       Chu极限定理的概念对手机结构设计来说非常重要，而在天线设计中的指导作用并不大。因为在天线设计中很难给出一个复杂电磁环境下的天线等效尺寸r的准确值。
 
3.提高电小天线辐射效率的途径 
提高电小天线辐射效率，或减小天线尺寸的途径，概括起来不过有以下几种：
（1）提高辐射电阻；
（2）降低损耗电阻：包括降低天线本身的热损耗和降低匹配电路的损耗；
（3）保证功率有效馈送到天线上，减少天线邻近物体及地面条件变化对天线的影响，保证匹配。当然，采取以上各种措施减小天线尺寸时，必须满足工作频带的要求。
 
提高辐射电阻 
最常使用的提高辐射电阻的途径是加顶和加载。比如列车顶部的天线高度受到限制，为增加垂直部分的有效高度，可以在天线顶部加装水平部分使天线类似 型。当水平部分和垂直部分之和接近 时，有效高度最大，同时可以使天线的输入电抗分量大大减小。

       手机天线使用变形单极子天线作为内置天线时，也常采用类似的措施。手机外置天线使用的螺旋天线是一种连续加载天线，为缩小天线的尺寸，将谐振长度一定的天线绕成螺旋状。
 
降低天线和匹配电路的损耗电阻 
当天线的电尺寸较大时，天线的热耗相对天线的辐射而言不大，因为其效率高，但当天线尺寸减小时，其辐射较弱，天线本身的损耗也就相应突出。当然，可以设法使用低耗元件（如电容）来降低其损耗。
手机设计时降低匹配电路损耗电阻的措施有：尽量不使用匹配元件或使用低耗匹配元件；尽量使RF模块靠近天线馈点，缩短馈线的长度；尽量使用PCB阻抗线而不要使用同轴电缆等。
 
减小邻近物体的影响 
在手机天线中，对天线性能影响最严重的环境因素就是Speaker、马达和金属装饰环。Speaker不仅由于其中的旋磁物质改变辐射场结构，而且对接收频段是一种强烈的噪声源。如果使用PIFA内置天线形式，应尽量避免将Speaker、马达装在天线辐射单元下方，绝对不允许将两个Speaker同时装入天线辐射单元和地面之间。金属装饰环不能在天线的投影面上方，并且与天线的最小间距应大于6mm。
 
四、电小天线常用的分析方法

对电小天线进行分析的方法，常见的方法有：
 
1.集总参数分析法 
这种分析方法的基本思想是，将天线看作终端开路的传输线，并用集总电感或电容等效传输线的分布参数。这种分析方法不很严格，并且对复杂形状的天线往往较难于分析，但是较为直观，可以帮助我们作出定性的判断。当天线的尺寸小于弧度长 时，天线就相当于一个电容或电感，忽略热损耗，则等效阻抗中的实部就表示天线的辐射。匹配带宽正比于谐振带宽。