移動終端天線設計技巧

　　包含移動終端在內的天線性能與外形大小有密切關系。論及天線時通常會使用以物理長度的頻率波長制定的規格化電氣性長度，一般是將電氣性長度為低于1/2π以下的天線定義為小型天線(以下簡稱為小型天線)。

　　移動終端幾乎都是使用小型天線，它的缺點是低效率、窄頻寬，為了確保天線的性能，因此天線小型化有一定的極限，然而如此一來卻違背移動終端小型化的時代趨勢。所幸的是天線使用的元件大多是可以創造空間的導體，若與波長比較的話，只要導體具備一定大小，基本上就可以當作高天線使用，例如類似移動終端外殼等結構就符合以上條件(圖1)。

　　目前移動終端使用頻率大多介于800mMHz～2GHz之間，波長相當于150～350nm左右，因此100～200mm的終端尺寸對小型天線非常有利，也就是說只要巧妙應用移動終端的機殼，就可以獲得小型、高性能的天線功能，有鑒于此本文以移動終端的機殼當作天線使用為例，依序介紹地表數位播放用天線與PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天線的設計技巧。

　　圖1 各種天線的特征

　　移動終端天線的特征

　　如上所述低效率、窄頻寬是一般小型天線的主要缺點。天線的比頻寬(以中心頻率制定的頻率范圍)與天線大小有密切關系，小型天線的頻寬則與天線的體積呈比例關系。天線的效率可以用下式表示:

　　η= Pr/(Pr+Pd)

　　η:天線的效率。

　　Pr:放射功率。

　　Pd:損失功率。

　　由上式可知如果縮任意小天線大小的話，Pr會比Pd小導致放射效率大幅降低，這種現象尤其是天線附近的電磁界更加明顯。圖2是提供相同電力給兩種天線時，天線附近的實際電界分布狀態，圖中的單極(Monopole)天線高度為λ/4(此處λ表示天線頻率的對應波長)屬于中等大小天線，此時單極天線最大強度大約是-20dB；相較之下逆F天線的高度為λ/10屬於小型天線，此時F天線最大強度則只有0dB，由此可知即使相同電力隨著天線大小的差異，天線附近的電界(電壓)分布狀態則截然不同，同樣的磁界亦即電流強度也不相同。對小型天線而言構成天線的導體與天線周圍的空間，若是屬于有耗損性的媒體時，會就導致極大的電力(功率)損失，相對的效率也會急遽劣化?！?/P>

　　圖2 天線附近的實際電界分布狀態

　　天線的等化G 與物理長度L可以用下式表示:G= 8log (2L/λ) (dBd)(dBd)為接收電波時的強度(與半波長Dipole比較)指標。此處若將頻率為 /20nm移動終端的天線等化代入上式，可以求得-7.7dB左右的(理論)效率，然而實際上移動終端的效率大約只有-1dB。

　　圖3是移動終端周圍的電界分布狀態，由圖可知若對天線施加脈沖電界，天線周圍的電界會隨時間改變，例如右圖的電界強度除了天線之外，機殼本體的電界強度也會隨時間改變增大，換句話說只要巧妙應用移動終端機殼的電波放射特性，即使小型天線也可以獲得預期的效果?！?/P>

　　圖3 移動終端周圍的電界分布

　　一般數位地表波播送使用波長為400~600nm UHF(Ultra High Frequency)的頻寬，然而實際上物理特性上限制，使得一般傳統移動終端得天線不容易小型化，因此將移動終端機殼的改成抽取或是折疊設計，形成如圖4右側直接激振天線。

　　圖4 地表數位信號接收用天線

　　接著在波暗室內實際測試上述兩種天線的水平面內放射pattern，必需注意的是天線的特性極易受到包含人體在內使用環境的影響，因此測試時被測天線必需遠離人體，此外電波幾乎是從水平方向入射，所以本測試是以水平面內的放射pattern作為討論對象

　　圖5是各天線在波暗室內測試獲得的結果；表1以Dipole天線作比較基準時的等化平均值，由表1的計算結果可知傳統Monopole天線與Dipole天線具備-2.5~2.8dB 相同程度的平均等化值。　

　　圖5 兩種天線的放射pattern

　　根據上述測試結果進行屋外測試，測試時在兩處際野外(Field)作收、送訊試驗。波暗室內測試時被測天線遠離人體旋轉一圈，依此計算天線的平均收訊功率；相較之下屋外測試時則攜帶被測天線步行約十分鐘左右回旋路程，接著再以Dipole天線作比較基準，計算天線的平均收訊功率。根據表1的計算結果顯示，兩種天線在四個場地的平均收訊功率幾乎完全相同，它與上述波暗室內測試結果一致，依此證明只要巧妙應用移動終端機殼的電波放射特性，即使小型天線也可以獲得預期的效果?！?

　　暗室內等化(dB) Field的等化(dB)

　　屋內1 屋內2 屋內3 屋內4 平均值

　　天線A -2.5 -2.6 -1.1 -1.1 0.8 -1.0

　　天線B -2.8 -0.5 -0.9 -1.8 -0.5 -0.9

　　表1 各天線的等化特性

　　Diversity天線的設計

　　移動通訊系統為了抑制衰減(Fading)造成通訊品質惡化，因此通常都采用Diversity天線。上節介紹的兩種Diversity天線，主要設計訴求是收訊用途，所以涉及天線的設置場所與天線構造。

　　此處采取在連接移動通訊系統折疊機殼上增設阻抗(Impedance)Z，如此就能夠利用一種天線獲得多樣的放射pattern，這種設計最大優點是可以大幅縮小天線的設置場所與天線結構物的尺寸。

　　圖6是Diversity天線的構造，如圖所示它是將天線設置在折疊機殼兩接地(Ground)中央，兩接地之間再鋪設信號線與并排連接的阻抗，接著改變阻抗 觀察放射pattern。根據圖7的測試結果顯示， Z=Z0(開放)與Z=Z1(容量性)時，放射pattern發生明顯改變， Z=Z0時放射pattern呈側向8字形， Z=Z1時放射pattern與 Z=Z0截然不同，換句話說即使相同天線，隨著Z的變化會出現不同的放射現象?！?

　　圖6 Diversity天線的構造

　　圖7 對各Z的放射pattern

　　為了探討放射pattern的變化原理，因此對機殼施加電流藉此觀察電流分布特性，根據圖8的測試結果顯示， Z=Z0時上下機殼都有同相電流流動，而且與圖7的放射pattern一樣都是呈側向8字形，由于Z=Z0時為同相電流，因此電界是以側向加算；相對的Z=Z1則變成逆相電流，因此電界橫向相互抵銷，放射pattern整體呈蝶翼狀。由此可知只要改變抗Z就能夠控制機殼上的電流，并使電流產生的放射pattern發生變化?！?/P>

　　圖8 Diversity天線的動作原理

　　結語

　　以上介紹利用移動終端的機殼當作導體，設計小型高性能天線的技巧，同時探討地表數位播放用天線與PDC(Personal Digital Cellular)用Diversity天線的設計技巧。（作者宇量52RD編輯）