通常在進(jìn)入設計周期末尾之前，天線(xiàn)設計不會(huì )引起太大注意。原因或許就是因為它們是無(wú)源器件，在RF信號通路中所起的作用看來(lái)不大。也可能是是因為設計師希望他們一直有能力在剩余空間內配置天線(xiàn)設計和進(jìn)行元件選擇。還有可能是因為天線(xiàn)不是摩爾定律的受益者。 

無(wú)論具體原因何在，便攜無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計人員現如今都面臨著(zhù)許多新的工具、新的方法和新的元件，從而使得對理想天線(xiàn)的追求又增添了新的折衷過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，設計人員需要切切實(shí)實(shí)地在“造和買(mǎi)”之間作出艱難取舍。與你必須花錢(qián)購買(mǎi)的有源器件不同，完全可能只以PCB上幾平方厘米的代價(jià)免費制造一個(gè)天線(xiàn)。在許多情況下，這是一種有吸引力的可行選項。但在其它許多情況下，享用這種明顯的“免費午餐”的成本太高�，F在，一些更新的天線(xiàn)設計和器件的出現，使得設計師有了另一種選擇。 

小天線(xiàn)的世界 

小天線(xiàn)在電氣上的一般定義是：基本元件的尺度短于波長(cháng)的1/10。對一個(gè)300MHz信號，定義上的閥值是10厘米；而在1GHz，該值僅為3厘米。 

傳統上，小天線(xiàn)僅能提供有限的性能。若你想要真正高效的天線(xiàn)性能，你需要將更多的金屬伸向空中并采用多種或形狀復雜的元件，以提升增益、控制帶寬、改變場(chǎng)型或抑制鄰近信號。另外，你必須確保天線(xiàn)阻抗與RF前端相匹配，以使功率傳輸最大化。以蜂窩手機和Wi-Fi為代表的向更高頻率RF轉變的主要好處之一，是小天線(xiàn)在這些應用中具備電氣可行性。 

雖然天線(xiàn)“族譜”紛繁復雜，但無(wú)論你使用基于PCB的天線(xiàn)還是分立天線(xiàn)，包含小天線(xiàn)的這個(gè)分支都需要在設計中很好地進(jìn)行折衷處理。 

PCB天線(xiàn)，既可以是小片或小環(huán)，可以是螺旋形或線(xiàn)形。它們的BOM成本可以忽略不計，只需要占用PCB空間。值得注意的是，某些PCB天線(xiàn)并非主電路板的一部分，而是作為獨立器件，通常附在產(chǎn)品外殼里面。其性能還取決于布局、幾何尺寸及其與附近元件的相對位置。另外，用戶(hù)的手、身體或頭部通常對天線(xiàn)性能產(chǎn)生不利影響。產(chǎn)品中元件或PCB布局的任何改變都將波及到天線(xiàn)性能。所以這種設計是受到限制的，而最終產(chǎn)品定型前的修改也意義不大。 

另一方面，對天線(xiàn)的修改——無(wú)論是為了迎合規范的變化或克服設計缺陷——一旦被確定后都可迅速執行，且不會(huì )對BOM產(chǎn)生影響。修改還會(huì )影響天線(xiàn)阻抗。所以，你也許還需要改變設計好的匹配電路。 

相反，分立天線(xiàn)會(huì )涉及到BOM成本，且通常要由供應商根據特定的頻段、帶寬及其它性能參數進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計。作為回報，這種天線(xiàn)比PCB天線(xiàn)占用更少的PCB空間，而且如果不是完全不受影響的話(huà)，PCB布局、臨近器件或用戶(hù)對其的影響也小得多。天線(xiàn)阻抗由物理設計所固定，所以匹配網(wǎng)絡(luò )也被固定了，且與布局、器件擺放位置無(wú)關(guān)。這些因素使設計師不再面對某些挑戰性約束，以及不用再重新設計PCB布局及計算BOM。 

自己動(dòng)手設計天線(xiàn) 

對于通�；�于PCB的小天線(xiàn)而言，有許多可能的設計方法。最常見(jiàn)的是采用明線(xiàn)(也稱(chēng)為開(kāi)口)結構(例如雙極和單極天線(xiàn))、環(huán)線(xiàn)設計(例如環(huán)狀天線(xiàn))，以及實(shí)心塊設計。 

開(kāi)口天線(xiàn)實(shí)際上就是自無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)軔之初就業(yè)已存在的大個(gè)天線(xiàn)的縮微版。實(shí)際上，因Heinrich Hertz在其1888年的實(shí)驗中采用的就是雙極天線(xiàn)，所以它有時(shí)又稱(chēng)為Hertz天線(xiàn)。它與地平面是平衡的，在有線(xiàn)和衛星電視出現前，它一直忠實(shí)履行著(zhù)VHF TV兔耳天線(xiàn)的職責。 

與雙極相反，單極天線(xiàn)對地是單端的，所以需要一個(gè)地平面。在許多無(wú)線(xiàn)應用中，單極天線(xiàn)作為鞭狀天線(xiàn)使用。它也被稱(chēng)作馬可尼天線(xiàn)，在馬可尼早期實(shí)驗中用的就是這種天線(xiàn)。

圖1：環(huán)形天線(xiàn)(a)易于實(shí)現。矩形塊天線(xiàn)(b)使用規劃得很好的PCB空間(它也可是一個(gè)分立器件) 

在諸如UHF TV等批量市場(chǎng)使用的環(huán)形天線(xiàn)也有悠久歷史。它的周長(cháng)約等于能接收到信號的波長(cháng)(見(jiàn)圖1a)。從電氣特性講，矩形塊天線(xiàn)是一個(gè)較寬的微帶傳輸線(xiàn)，其長(cháng)度是工作波長(cháng)的一半。在圖1b中，波長(cháng)不是以真空中的傳播計算的，而是以絕緣的PCB材料計算的。矩形塊的共振頻段相當窄，所以其工作帶寬也相當窄——約是標稱(chēng)中心頻率的5%，該特性是好是壞，取決于具體應用。 

所有這三類(lèi)天線(xiàn)都可用PCB實(shí)現，且一個(gè)多層PCB能提供多個(gè)設計選擇，包括作為某些結構所需的地平面。類(lèi)似遙控開(kāi)鎖(RKE)以及車(chē)庫開(kāi)啟器等對性能要求不苛刻的應用，采用的就是這種天線(xiàn)設計。 

因PCB天線(xiàn)的設計成本可忽略不計，那么是在什么時(shí)候又是因為什么使得它不是設計的優(yōu)先選項呢？其中幾個(gè)支配性因素與前端設計和實(shí)際實(shí)施有關(guān)。 

首先，天線(xiàn)設計并不簡(jiǎn)單。即使采用類(lèi)似數字電磁碼(Numerical Electromagnetic Code)這樣的建模程序，電路或系統工程師對電磁世界也是陌生的。他們面對的是一個(gè)電磁場(chǎng)世界，而不是特定的電壓和電流點(diǎn)或以固定回路流動(dòng)的電子流。 

其次，與許多工程設計一樣，類(lèi)似中心頻率、帶寬、場(chǎng)模式、效率以及組織(lobe)和增益等相互競爭和沖突的屬性使得它們之間的平衡取舍很困難。 

第三，評估天線(xiàn)性能并不容易，它需要特殊的測試儀器、無(wú)反射的腔室或開(kāi)闊地帶。它還需要時(shí)間、金錢(qián)和專(zhuān)門(mén)技能。另外，當評估用戶(hù)的手對天線(xiàn)的影響，或相反、評估天線(xiàn)輻射對用戶(hù)手的影響時(shí)，要進(jìn)行正確的測試設置，包括對人的手和頭的物理復制。 

而且這些還都是理論上的。實(shí)際上，還有其它因素在起作用。天線(xiàn)當然占用了PCB空間，其性能屬性受附近器件以及用戶(hù)手、頭和身體的顯著(zhù)影響。人體組織的相對介電常數是40，而PCB成分的介電常數約介于25到85，所以人體組織將激勵共振元素并影響磁場(chǎng)。 

另外，當為了多頻帶操作或形狀多樣性設計而需要多個(gè)天線(xiàn)時(shí)，若干基于PCB天線(xiàn)間以及天線(xiàn)和附近區域間的交感將令性能預測非常困難，且其對細微的布局變化都敏感。 

但也存在約束天線(xiàn)場(chǎng)特定吸收率(SAR)的規則。SAR是質(zhì)量(本例的人體組織)吸收RF能力的比率；通常采用兩種方法對其進(jìn)行測量：一是測由于吸收引起的溫升；二是測模擬人體組織的流體的電場(chǎng)。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)的網(wǎng)站上有更多信息。必須理解和分析天線(xiàn)的近場(chǎng)和遠場(chǎng)性能，它們可能緊密相關(guān)。

最后，天線(xiàn)并非與無(wú)線(xiàn)設備的接收前端或發(fā)射功率功放級隔絕獨立。電路設計師必須確定天線(xiàn)以及關(guān)聯(lián)級的阻抗，然后設計出一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )以在整個(gè)目標帶寬內最大化功率傳輸(見(jiàn)圖2)。 

圖2：天線(xiàn)子系統包括前端接收放大器或發(fā)射放大器、匹配網(wǎng)絡(luò )和天線(xiàn)本身。 

這通常是一項困難的設計工作，涉及到專(zhuān)業(yè)計算和測量以及專(zhuān)用工具，例如就需要Smith圓圖。 

電介質(zhì)成為天線(xiàn)設計一部分 

幸運地是，材料科學(xué)和天線(xiàn)理論的發(fā)展為設計工程師在外接和基于PCB這兩類(lèi)天線(xiàn)之外，還提供了其它選擇。這些天線(xiàn)將天線(xiàn)的體積效率最大化，同時(shí)克服或實(shí)際上消除了布局影響及匹配的不確定性。與此對照的是，塊狀和鞭狀無(wú)線(xiàn)是二維的，其效能主要取決于所處空間而非體積。雖然分立天線(xiàn)切實(shí)增加了成本，但它們也常常在改善或保證產(chǎn)品性能的同時(shí)減小了尺寸。 

聽(tīng)起來(lái)也許不合常理，作為絕緣體的電介質(zhì)會(huì )在天線(xiàn)設計和實(shí)現中扮演著(zhù)重要角色。但事實(shí)的確如此，在超過(guò)50年的時(shí)間內，電介質(zhì)一直是天線(xiàn)設計的一部分，它有助于成型和管理天線(xiàn)模式電場(chǎng)。場(chǎng)能量以相當高的密度積聚并存儲在電介質(zhì)內，所以，外部物體或場(chǎng)具有相對小的影響且并不影響天線(xiàn)的固有共振。 

當然，高相對介電常數只是基于電介質(zhì)的天線(xiàn)取得成功的關(guān)鍵因素之一。材料還需要低電介損失(高Q材料)和低溫系數以最小化物理尺度變異，該變異可導致失(調)諧。

例如，英國Sarantel公司的Geohelix天線(xiàn)采用獨有的陶瓷材料和形狀，與塊狀和鞭狀天線(xiàn)相比，它具有將近場(chǎng)輻射減少最低90%的能力。受用戶(hù)手和軀體影響的近場(chǎng)在Sarantel天線(xiàn)內幾乎是被完全封閉起來(lái)的。該天線(xiàn)當帶通濾波器使用，以抑制帶外信號同時(shí)還去掉了做在PCB或機殼上的地平面。 

不再需要地平面是該設計具有平衡電流的結果，因流進(jìn)天線(xiàn)的電流總和為零，所以其共振獨立于PCB或封裝。與此相對，一個(gè)基于微帶的塊或外接鞭狀天線(xiàn)需要一個(gè)地平面以取得共振，流進(jìn)(或流出)天線(xiàn)的電流需要在地平面上生成一個(gè)互補電流，這樣才能產(chǎn)生共振。 

類(lèi)似，另一家英國公司Antenova擁有一種高電介質(zhì)天線(xiàn)技術(shù)，它提供一種適用于全向、有向甚至多帶應用、具有10GHz以上頻率響應特性?xún)?yōu)點(diǎn)的體積式非交感天線(xiàn)。這些高效器件對接近失諧和效應具有相對免疫力。將這些器件整合起來(lái)可打造一款具有極佳操控性的智能天線(xiàn)，智能天線(xiàn)被越來(lái)越多地用在基站中以擴充系統能力同時(shí)改進(jìn)每個(gè)呼叫的性能。 

例如，Antenova已開(kāi)發(fā)出一種用于無(wú)線(xiàn)LAN、覆蓋2.4到2.5GHz和4.9到5.9GHz雙頻段的雙帶混合IEEE 802.11a/b/g天線(xiàn)，它具有4×4×20mm的體積(見(jiàn)圖3)。 

圖3：Antenova的高電介質(zhì)混合天線(xiàn)在一個(gè)緊湊封裝內提供多帶性能

該天線(xiàn)有三個(gè)元件：一條微帶饋線(xiàn)，它也與接至天線(xiàn)的1.2mm直徑、超小同軸電纜饋線(xiàn)匹配；一個(gè)發(fā)射器件，由1/4波長(cháng)地塊和兩個(gè)共振器(每頻段一個(gè))組成；及一個(gè)陶瓷顆粒，它負責激勵發(fā)射元件并在發(fā)射元件和饋線(xiàn)間形成耦合。 

不同的方法 

不是所有的這些新天線(xiàn)都以陶瓷為核心。巴塞羅納的Fractus公司將基于不規則碎片幾何學(xué)的幾何模式用于其封裝天線(xiàn)(antenna-in-package)設計中。該多帶天線(xiàn)能被印在襯底上或嵌入在芯片內。他們提供一種發(fā)射效率高于70%、峰值增益高于1dBi、VSWR低于1.5:1的GSM天線(xiàn)。該天線(xiàn)具有50歐姆不平衡阻抗，體積僅有10×10×0.9mm。 

作為來(lái)自同一家供應商Centurion Wireless Technology(現Laird Technologies的一部分)的塊狀和分立天線(xiàn)的一種對比，Centurion提供一種能被附著(zhù)在產(chǎn)品外殼內的微帶塊天線(xiàn)。它工作在2.4到2.5GHz頻段、43×43×1.65mm大小。在工作頻帶內，該天線(xiàn)具有5.1dBi的增益和小于2.5:1的VSWR。Centurion相同頻帶的BlackChip表貼天線(xiàn)的增益大于2dBi、VSWR小于2:1、8×6×2.4mm大小。 

大多關(guān)于天線(xiàn)設計的書(shū)籍充斥著(zhù)難以用于實(shí)際設計的復雜理論和公式。但這種現象主要還是源于天線(xiàn)問(wèn)題的本來(lái)特性而不是作者刻意要顯得晦澀高深。由Newnes/Elsevier出版的Douglas B. Miron寫(xiě)的《小天線(xiàn)設計》是一本覆蓋了理論、模擬和設計的參考資料。