新型态的微型天线设计

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1、新型態的微型天線設計方式林宗輝／DIGITIMES前言：所有的無線通訊標準都有其收發端，不論是收或者是發，皆需要有類似天線的結構存在，才有可能將空中的無線電波轉為電器訊號。然而不同的無線通訊標準基本上都有著不同的波長，收發器的設計可能可以共用，但是天線就必需要量身打造，而面對目前整合性越來越高，系統機構越趨小型化的情況下，合理的天線設計與多種天線的搭配方式，就成了1款產品的性能表現關鍵。手機天線的設計行動通訊業務可以說是目前市面上最火熱的無線應用之一，天線架構的設計可直接對通訊產品的通話品質、訊號接收能力產生最直接的影響。一

2、般使用者的最基本需求，就是不論身在何處，都要能夠隨時處於連接狀態之中，傳統的天線設計方式已經逐漸無法滿足未來更為嚴苛的行動通訊要求。很多行動通訊產品製造商在設計產品時，在初期階段可能就已經把天線的設計加進通訊裝置的構型考量中，而非在行動通訊產品設計完畢之後，才另外加進去。由於外觀、PCB、結構、天線彼此之間相依相存，便理所當然的被視為1個整體，因此在初期設計階段便將天線空間與RF環境進行充分考量，這樣的設計方式也能得到相當不錯的天線性能表現。但要是將天線視為附加的部件，而非整個系統的必要部分，在初始設計時，將外型與功能元件無

3、限上綱，最後由於預留的空間不足，或者是構型無法達到理想的RF特性，天線在最後階段的佈建與測試甚至將會事倍功半。由於天線在佈建上忌諱與含金屬結構的元件接觸，即便有屏障，還是或多或少會對天線造成影響，這樣的設計方式，便很難達成理想的收訊品質。手機通訊天線的分類■倒F型天線倒F型天線又稱為PIFA（PlanarInverted-FAntenna）天線，這種天線長的像是1個倒下來(或是躺下來)的F字型，內藏式手機天線大多採用這種形式的天線，但是缺點是頻率越低,其頻寬越小(跟單極天線比較),也越難設計。PIFA天線早在1960年代時代

4、已經被使用在軍事以及航空用途。它包話了3部分：輻射面，短路機制，以及接地面。其中短路機制因不斷改良之後有短路棒，短路面，以及短路柱等3種型式。其天線操作波長大約四分之一。目前是小型化天線設計代表其中之一，目前主要應用於手機設計之中。其結構方面，輻射體面積約為550-600mm2，與PCB主板TOP面的距離（高度）約為6-7mm。天線與主板有2個饋電點，1個是天線模組輸出，另1個是RF接地。天線的位置通常在在手機頂部。天線投影區域內有完整的接地，同時不要天線側安排元件，特別是馬達、揚聲器、接收器、FPC排線、LDO等較大金屬結

5、構的元件和低頻驅動元件。這些元件對天線的接收性能有很大的負面影響。除了手機天線以外，PIFA天線也被廣為應用在Wi-Fi產品之中，一般來說，單頻的PIFA天線設計難度要比單極或偶極天線簡單，頻寬表現也較佳，但是應用在多頻系統上，體積與頻寬就很難取得平衡，新一代的手機多為多頻設計，頻寬要求也高，，在GND接地大幅減少的狀況下，除非提升餽點的數目，否則在發展上將會受到極大的限制。■單極天線（monopoleAntenna）單極天線的輻射體面積300∼350mm²，與PCB板平面的相對高度約3∼4mm，天線輻射體與PCB的相對距離

6、應大於2mm以上。天線與主板只有1個饋電點，是模組輸出之用。天線的位置在手機頂部或底部。由於單極天線極為敏感，所以在天線投射區域內不可安排任何含較大金屬結構的元件，比如說照相模組、揚聲器或者是麥克風等。單極天線同樣具有支架式與貼附式這兩種。而少數具備特殊架構的天線設計，比如說Motorola的V3等超薄系列，都是以金屬絲成型在頂部立面上，此種設計難度較高，但是可以將手機的厚度有效的降低。■碎形天線（Fractalantenna）這種天線架構屬於比較新的天線設計概念，「碎形(Fractal)」這一概念是由法國數學家B.Mand

7、elbrot於1975年首次提出的，這個名詞源於拉丁文的「破碎」。碎形具有兩大主要特徵：自我相似性和空間填充性(即分數維度)。分數維度是指，這些形狀的有效維度會超越其拓樸維度。碎形不同於一般的幾何形狀，它們會呈現出不規則狀或者是支離破碎狀，然而這些破碎的細微碎片多以相同的微縮尺寸比例出現。因此在許多時候，碎形也被稱為自我相似。碎形技術是得益於數學上碎形物體的一些特殊性質所發展起來的技術。無論是自然界中的碎形，或者是數學上的碎形物體，都能夠通過簡單的演算法一步一步迭代生成，最終將能夠具有驚人的複雜結構。碎形的特性之一就是「分數

8、維度」。這種特性使得碎形能夠在很小的體積內充分的利用空間，也是碎形技術能夠用於天線小型化設計的一個關鍵原因。1)Koch單極天線碎形用於天線小型化設計的第1個例子是Koch單極天線，得名於碎形Koch曲線。當在天線的設計中應用Koch曲線時，諧振頻率相對於傳統的線性單極天線以1．65的因數