天線綜合的設(shè)計流程

強大的設(shè)計算法和輸出模型允許工程師快速評估不同的天線形式，并為其當前的工作選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)。此應(yīng)用文檔展示了如何在設(shè)計前期利用Antenna Magus對不同的天線形式進行研究，并將符合要求的設(shè)計從Antenna Magus中導(dǎo)出并整合到Microwave Office/AXIEM中。

實例1：天線的預(yù)研和設(shè)計

此實例中設(shè)計了一個應(yīng)用在WAN基站的天線。設(shè)計目標是應(yīng)用一個基站為一個地區(qū)的多個家庭進行足夠的信號覆蓋。若不應(yīng)用Antenna Magus，設(shè)計工程師需要從其所熟悉天線類型中選擇合適的一個。應(yīng)用Antenna Magus，設(shè)計工程師可查詢并對多種不同的天線形式進行快速的研究、對比，當然也包含不熟悉的天線形式。Antenna Magus還包含了一個工具箱，如：空間路徑損耗計算器（基于Friis公式）幫助設(shè)計者從系統(tǒng)指標的角度為天線設(shè)定需求。應(yīng)用Antenna Magus選擇合適的天線拓撲來滿足工作頻率、增益、帶寬、阻抗、尺寸、成本等系統(tǒng)和天線要求。

本實例中的計算（圖1）顯示，如果距發(fā)射機1Km處有一增益為16dBi的接收天線，所需功率為-60dBm，發(fā)射機發(fā)射功率為5mW，若需獲得足夠的信號覆蓋，則發(fā)射天線的增益為18dBi。為獲得足夠的覆蓋，發(fā)射天線的方向性圖要具有特定的形式—高增益的扇形波束非常理想。可應(yīng)用關(guān)鍵詞“fan beam” 和“high gain”（一般增益大于15dBi）來選擇合適的天線拓撲，窗口中會立刻顯示6個不同的天線形式。圖2顯示了4個天線的性能信息。基于上述的信息頁，“l(fā)inear resonant waveguide slot array” 和“resonant series-fed rectangular microstrip patch array”看起來可提供足夠的增益和正確的方向性圖，可對這兩個天線進行進一步的研究。

圖1

圖2

應(yīng)用Antenna Magus的信息瀏覽器，可以分兩側(cè)顯示并對比這兩個天線（圖3）。對比充分展示了各天線的優(yōu)缺點和性能，方便用戶做出最好的選擇。為了更加深入的研究天線，可一鍵獲得并對比更詳細的天線性能。波導(dǎo)縫隙陣的性能如圖4所示。下一步即可將模型導(dǎo)入到Microwave Office/AXIEM進行進一步的分析和優(yōu)化。

圖3

圖4

實例2：設(shè)計并導(dǎo)出天線

一般來講，設(shè)計工程師經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)原始的天線設(shè)計沒有足夠的帶寬。解決此問題的一般做法是構(gòu)建一個大的天線結(jié)構(gòu)，使之在整個頻帶諧振。但當添加其他的限制，如波束、尺寸、加工成本時，問題變得越來越復(fù)雜。在此實例中，我們再次應(yīng)用Antenna Magus迎接挑戰(zhàn)。現(xiàn)需要設(shè)計一個增益為6dBi，工作頻率為2.4GHz—2.6GHz的天線。當在Antenna Magus查找中等帶寬的天線時，軟件向我們推薦了幾種電磁耦合結(jié)構(gòu)的天線。其中一個天線為“capacitive disc-fed rectangular patch antenna”（圖5）。在此天線的信息頁中，feed-disc與貼片天線的輻射邊有電容耦合，在輸入阻抗處加一電容元件即可有效的抵消輸入端的電感效應(yīng)。這允許使用較厚的介質(zhì)（一般兩層），這減少了有效介電常數(shù)，因此增加了貼片天線的帶寬。

圖5

應(yīng)該注意到，若未使用Antenna Magus設(shè)計此天線將非常繁瑣，必須計算正確的介電常數(shù)并利用優(yōu)化算法對饋電距離進行優(yōu)化。應(yīng)用Antenna Magus，用戶可以底層介質(zhì)的厚度和所有的介質(zhì)參數(shù)，幾秒種內(nèi)即可對天線進行設(shè)計。

使用Antenna Magus，用戶可以定義底層介質(zhì)的高度和所有頂層介質(zhì)的參數(shù)，并且天線可以用幾秒鐘就設(shè)計好。

天線的性能可以很容易的進行評估，并且不同的設(shè)計結(jié)果可以在同一個圖中進行比較。圖6顯示了當最頂層的介質(zhì)屬性保持恒定，底層空氣介質(zhì)高度從6mm增加到10mm時，兩種不同設(shè)計方案的評估性能。反射系數(shù)圖中清楚的顯示出帶寬隨著底部基板厚度的增加而增加。在這一點上，工程師們可以確信天線將工作在指標范圍內(nèi)，并且此設(shè)計可以導(dǎo)出到AWR Design Environment?。導(dǎo)出的模型（圖7）包括了電磁原理圖中的所有的參數(shù)值。定義網(wǎng)格的設(shè)置，以確定在一個合理的時間內(nèi)給出精確的結(jié)果。某些一般的圖形和測量結(jié)果，例如S11隨頻率的變化，增益隨頻率的變化關(guān)系等，是預(yù)定義的。改變工程的任意參數(shù)即可運行得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。因為工程所有的參數(shù)都被定義在Microwave Office/AXIEM中，例如，如饋電的距離，可以直接在AWR設(shè)計環(huán)境模型中來編輯，來嘗試得到一個更高的輸入阻抗。

圖6

圖7

結(jié)論

Antenna Magus非常適合在設(shè)計前期對天線快速選型，評估其性能并將模型導(dǎo)入到Microwave Office/AXIEM，從而實現(xiàn)對參數(shù)的編輯和仿真，從而可以為復(fù)雜問題尋找最好的解決辦法。

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天線類型

固用、行動用天線的趨勢

微型天線的發(fā)展趨勢

解決方案：

棒型天線是收發(fā)端的方位不定

偶極型天線則開始有部分的定向性

碟型比偶極型更講究定向性

天線設(shè)計是相當考驗?zāi)印嶓w特性設(shè)計的一門學問，天線既可以相當制式的量化生產(chǎn)，也可以高度特定配合的量身訂制。天線的類型有許多種，不同類型的天線有不同的訴求，最粗概而論則有三種：棒型（Rod）、偶極型（Dipole）、以及碟型（Dish）。

天線類型

1.棒型天線

棒型天線是收發(fā)端的方位不定，必須從四面八方都能收發(fā)信號時所用，最常見的如隨身收音機的天線、計程車用的無線電天線等，人與汽車隨時移動，因此方位不定，需要全向性的收發(fā)，此外有些棒型天線會設(shè)計成可伸縮的型態(tài)，伸長可強化收發(fā)訊，縮短則方便收納，如汽車進入低矮的停車場、收音機要放到抽屜時。

模樣收音機的接收天線、車用無線電天線等都是全向性（Omnidirectional）的棒型天線。

2.偶極型天線與八木天線

偶極型天線則開始有部分的定向性，偶極天線是由兩個L狀金屬（多為鋁或銅）條并放成T狀而成，最常見的運用是在業(yè)余無線電的火腿族上，必須進行方位對應(yīng)才有較佳的收發(fā)性。此外現(xiàn)有模樣比無線電視（中視、民視等）所用的八木天線（Yagi-UdaAntenna，簡稱：YagiAntenna，俗稱：魚骨天線）也是偶極型天線的進階變化，主要是在天線前端增設(shè)信號導(dǎo)波器、在后端增設(shè)信號反射器，以此來強化方位感應(yīng)力。更廣義來說，偶極型天線、八木天線屬線型天線，其他的線型天線還有饋線型天線（FeedingWireAntenna）、旅波型天線（TravelWaveAntenna）等。

偶極型天線如圖呈T型，T型的水平部分長度為波長的1/2，波長若12.5cm，則T型水平部分長度應(yīng)為6.25cm。

線型天線中的偶極型天線（左）與折偶型天線（右）。

日本東北帝國大學的教授：八木秀次，以及八木研究室的講師：宇田新太郎兩人共同發(fā)明了八木?宇田天線，一般簡稱八木天線。

3.碟型天線

碟型天線方面，最常見的即是過去的小耳朵（模樣衛(wèi)星電視），由于信號來自大氣層外的人造衛(wèi)星，信號能量打回地球后，由于路程遙遠、信號能量不斷衰減損耗，到地面時已經(jīng)相當微弱，為了能清晰接收已經(jīng)微弱的信號，天線必須用類似碗狀的集聚型態(tài)，理論上類似放大鏡，也類似聚熱型的太陽能發(fā)電。

碟型比偶極型更講究定向性，衛(wèi)星電視為了有最好的收訊，必須對準大氣層外的衛(wèi)星軌道方位，此外已經(jīng)微弱的信號即便集聚也依然微弱，且衛(wèi)星信號多為極高的頻率，這時必須進行中介性的降頻程序，將高頻信號轉(zhuǎn)換成較低頻，并將微弱能量信號進行功率放大與強化，之后才能提供給更后端的應(yīng)用裝置使用。由于碗狀、碟狀天線具有極高的收發(fā)方位性，因此軍事上的追蹤雷達、照明雷達也多採此種設(shè)計，意味接近的衍生變形設(shè)計也有橘皮天線（形狀類似被部分剝開的橘子皮）等。

地面上與衛(wèi)星收發(fā)聯(lián)繫的地面站，也是用碟型天線與衛(wèi)星進行信號的收發(fā)通信。

拋物面天線（ParabolicAntenna）與碟型、碗型天線屬同一類型，具有強烈的電波收發(fā)方向性，所謂拋物面是指彎弧部位的曲線類似拋物線。

固用、行動用天線的趨勢

只是瞭解基礎(chǔ)是不夠的，近年來無線技術(shù)的應(yīng)用愈來愈廣，過往各式各樣的實際接線也都期望透過無線而獲得去線化，使得天線必須依據(jù)各種場合需求而有更合適的變化提升。舉例來說，為了更快的傳輸率，WiFi已經(jīng)開始使用MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多組收發(fā)天線）技術(shù)，MIMO是實現(xiàn)智能型天線所必備的基礎(chǔ)，不僅是WiFi，包括WiMAX/WiBro、3G的W-CDMA、CDMA2000也都將MIMO列入后續(xù)的預(yù)定標準中。

MIMO雖然興盛，但主要是用于固定式通信，如基地臺、HotSpot、至多用在筆記型電腦，然而行動裝置、掌上裝置本身的體積已相當嬌小，很難再放入更多數(shù)目的天線，對手持/掌上裝置而言它們更需要的是微型天線、嵌入式天線。特別是在WPAN、WSAN領(lǐng)域格要需要，如Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、RFID等。比較不同的是，MIMO所用的依然是偶極型天線，只是增多天線數(shù)目，并運用天線后端的運算比對分析而使無線收發(fā)有更多的效益。而微型天線則是期望在相同的天線功效上能在物理特性上有更多的設(shè)計彈性。接下來我們將針對智能型天線與微型天線進行更多的說明。 智能型天線

智能型天線（SmartAntenna，有時也稱：可適性天線系統(tǒng)，AdaptiveAntennaSystem；AAS，或稱AdaptiveAntennaArray；AAA），它有別于過去多半用單一天線進行收發(fā)，而是同時動用多組天線來強化收發(fā)效果。智能型天線的第一個好處是拓增頻寬，倘若1組天線可以傳輸通量55Mbps，那么同時用上2組天線理想上就可獲得110Mbps的傳輸通量，但先決條件是發(fā)送與接收端都要同時具備與啟用2組天線，以此類推也可以加增第3、第4天線，目前IEEE802.11n的最高定義也是至4組，4接收、4發(fā)送的4×4組態(tài)。

除了簡單的增組增通量外，事實上多組天線也可以實現(xiàn)更多以往單組天線所辦不到的收發(fā)特性，以接收而言，多組天線同時接收，由于各天線有其方位差別，所接收到的信號也不盡相同，然而利用不同天線接收相同信號的些微差異，這個差異透過更后端的數(shù)字信號處理器進行比對、分析，如此原本對單組天線而言已經(jīng)微弱（在傳送路徑中已經(jīng)反射、散射性地減弱）到不能辨識的信號，也可透過這種多組接收比對使信號仍有機會再現(xiàn)，進而強化信號的接收性。

此外，智能型天線也可以先向遠處的收發(fā)端進行一個發(fā)波，之后接收發(fā)波反射的回應(yīng)時間而得知受服務(wù)端的遠近距離，得知距離后便可以依據(jù)遠近的不同而發(fā)送不同功率的傳輸，A裝置較近就發(fā)送較低弱的功率，B裝置較遠較發(fā)送較高強的功率，而不是對任何服務(wù)裝置都發(fā)送相同功率，如此反而會增加干擾機會，適傳距適功率也是智能型天線特性中的一環(huán)，此種技術(shù)機制一般稱為BeamForming。更進一步的，智能型天線也因為天線數(shù)的增加而可以有方位性的應(yīng)用，PHS基地臺所用的分空多方存取（Space-DivisionMultipleAccess，SDMA）即是運用智能型天線技術(shù)所實現(xiàn)。

D-Link友訊的Pren/11n型無線路由器：RangeBoosterN650RouterDIR-635，圖中可看出三個直豎天線。

D-Link友訊的Pren/11n型無線網(wǎng)路卡：RangeBoosterN650DesktopAdapterDWA-547，圖中可看出三個直豎天線。

微型天線：平板、槽孔

智能型天線是編碼、調(diào)變、演算層面的信號技術(shù)，而另一個天線技術(shù)趨勢是微型化，也稱微型天線或微帶天線，這是為了更合乎、因應(yīng)手持、掌上裝置應(yīng)用需求而有的新趨。微型天線多半為平板型（Planar）設(shè)計，或同時用上多片平板的陣列平板（ArrayPlanar）型，此外也有採行槽孔（Slot）型等設(shè)計。

事實上微型天線依然是傳統(tǒng)偶極天線，只是為了縮小體積而特別改變外貌，例如變化成圓形、橢圓形、環(huán)形、矩形、三角形等，以此讓天線更短小輕薄，而天線背后的基板（Substrate）則多是使用FR4的玻璃纖維印刷電路板（PCB），以此能更符合電子應(yīng)用產(chǎn)品的一體性設(shè)計。此也稱為印刷式天線（PrintedAntenna），印刷式天線可以是單偶、雙偶、折偶等多種形式。

另外，不與應(yīng)用電路一體成形，而採額外附加的微型天線也有貼片式的天線（PatchAntenna）、表面黏著的天線（SurfaceMountableAntenna），或者是螺旋狀天線（HelixAntenna）。值得留意的是，內(nèi)嵌作法中近年來愈來愈流行用平面倒F型天線（PlanarInvertedFAntenna，PIFA），此種天線具有短路結(jié)構(gòu)，可以讓天線的諧振長度從1/2縮減到近1/4，如此可以使天線進一步縮小。 其他技術(shù)趨勢

除了智能化、微型化設(shè)計外，其他的天線設(shè)計趨勢包括讓多個頻率波段共用同一組天線、使用更具可彎曲性的的材質(zhì)，好搭配今日講究穿戴式、可彎曲式的電子設(shè)計、顯示器設(shè)計。日前日本歐姆龍（OMRON）公司就將天線背部基板從過往常用的陶瓷改成樹脂塑膠，使其具有更佳的天線可彎性。

此外，隨著新版的Bluetooth與WirelessUSB等無線通信都採用超寬頻（UltraWideBand）UWB技術(shù)后，超寬頻所用的天線也逐漸受到重視，超寬頻的特性是通跨極大的頻率波段帶，但功率卻相當，類似更偏執(zhí)的展頻作法。目前超寬頻用的天線多採行單極設(shè)計（也別于偶極），更進一步的區(qū)分還有梯狀、U狀、單極三分饋式（monopolewiththree-branchfeedingstrip）、波段槽刻單極式（Band-notchmonopole）等。另外也有晶片型態(tài)的天線，例如積層陶瓷晶片型（Multi-layerceramicbasechip）或平面金屬板晶片型（Planarmetal-platechip）等，未來發(fā)展皆值得關(guān)注。

美國羅德島大學（UniversityofRhodeIsland）物理系研究工程師：RobVincent發(fā)明了分散式負載單極（DistributedLoadMonopole，DLM）天線，Vincent宣稱該技術(shù)可使單極天線的尺寸縮小至傳統(tǒng)設(shè)計的1/4尺寸，目前此一研究由美國海軍持續(xù)資助中。

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