|
來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 在無線領域，天線一直處于一種相互矛盾且有時令人困惑的狀態。一方面，天線只是簡單的無源換能器，用于實現以下兩種能量的相互轉換：一是導體中以電壓和電流表現的束縛能量，二是存在于真空或空氣中的分散、輻射的電磁能量。另一方面，天線的具體物理實現、配置、樣式和尺寸之多令人無所適從。自無線技術的早期（想想馬可尼一百多年前發明的電報）以來，天線的概念、設計和制造經歷了幾個大的階段。 第一階段 第一代天線基于兩種基本結構之一：一是具有相關地平面的單極天線，有時稱其為鞭形天線（圖 1）；二是配置各異的平衡非接地偶極天線，例如折疊偶極天線（圖 2）。雖然研究人員和工程師知道天線性能最終是由麥克斯韋的四個清晰利落的方程控制，但由于建模和計算極其復雜，人們無法將這些方程直接用于天線設計。 
圖 1：長線或鞭形天線的布置是一個使用地平面（這里是汽車的表面，左）的單元件設計；天線的示意圖顯示其很簡單（右）。（圖片來源：Lihong Electronic（左）；Electronics Notes（右））
圖 2：基本偶極是一個沒有接地基準的平衡式、對稱天線（上），如圖所示（下）。（圖片來源：TCARES.net（上）和 Tutorials Point（下）） 因此，與天線相關的分析僅限于使用一些基本方程來確定天線元件的尺寸，例如單極天線、偶極天線、長線天線和其他幾種配置。這些方程也根據經驗法則、直覺和現場試驗進行了修改。例如，偶極天線使用導管（而非細線）會增加其帶寬，這是好事還是壞事要取決于具體應用；以經驗和基本測量為指導可估算帶寬增加量與導管直徑的關系。即使是關于天線設計及其工作原理的學術討論，也很少討論除基本布置與波長關系以外的方程式，而基本布置與波長的關系已在 1926 年關于經典八木-宇田天線的技術論文（參考資料 1）（圖 3）中闡明。
圖 3：基礎型八木天線（上）是一種三元件天線，廣泛用于商業、住宅和軍事應用。三個元件（下）分別是：一個從動（有源）偶極元件，后面有一個無源反射器，前面有一個無源引向器，全部安裝在一個懸臂上。（圖片來源：EuroCaster/Denmark（上）；RFWireless-World（下）） 第二階段 天線設計創新的第二波始于能夠捕獲天線屬性的模型和算法的出現，只要模型不是太復雜，這些模型和算法就可以在計算機上執行，在合理的時間內求解電磁場模型和方程。 借助這些“場解算器”，新天線配置的設計人員可以綜合運用天線理論和從現場經驗獲得的洞察力來提出新的布置，對其進行建模，并最終“在紙面上”量化其性能，使得初始設計階段無需物理模型和現場測試。這種方法在一定程度上奏效，但仍然有碰運氣的成分。然而，它確實使工程師能夠專注于天線設計并反復調整，直至達到項目目標。 洛克希德 (Lockheed) 傳奇的臭鼬工廠研制的第一架隱形飛機 F-117“夜鷹”就是一個非凡的例子（參考資料 2 和 3）。關于將其雷達特征信號減小許多數量級的大部分理論工作都是基于解析解和復雜方程。 這些方程分析了飛機在雷達信號中對電磁能量場的反射。該項目的目標是在蒙皮材料、形狀、尺寸、角度、接頭和其他設計元素方面使用獨特且非常規的選擇，以盡量化解這些表面充當天線的固有傾向。這反過來又導致飛機以類似天線的模式重新輻射和反射能量，使其對雷達系統接收機不可見。 大不相同的第三階段 我們現在正進入基于模型的天線設計的新浪潮——從另一個角度應對挑戰。物聯網 (IoT) 設備或智能手機并不依賴專用天線來輻射射頻信號，而是直接從地平面輻射信號。 為此，傳統的嵌入式天線被 Ignion 的 NN03-320 DUO mXTEND 天線增強器（圖 3）取代，后者是一款 7.0 mm 長 × 3.0 mm 寬 × 2.0 mm 高的無源器件，尺寸約為傳統天線的十分之一（請注意，在 2021 年之前，Ignion 被稱為 Fractus Antennas）。
圖 4：Ignion 的 NN03-320 DUO mXTEND 是一款微型無源器件，它使用產品的電路板地平面來輻射射頻信號。（圖片來源：Ignion） 憑借其獨特的虛擬天線專利技術（針對基于新一代微型元器件的“無天線”技術的商業名稱），無論印刷電路板的尺寸或外形如何，該增強器都能同樣實現。設計人員通過創建和調整匹配網絡的元器件布置和數值，將其調諧到所需的頻帶。 換言之，這種布置在天線增強器和周圍的地平面之間產生了一種全新有益的協同作用。做一個粗略的類比——將小型音頻壓電驅動器連接到堅硬的桌面：桌面會產生共振，其結果是音頻輸出水平顯著提升。 Ignion 天線增強器是標準的現成即用表面貼裝器件，可替代傳統的定制平面倒 F 天線 (PIFA) 和印刷電路天線。這些增強器比工作波長小得多，通常小于波長的 1/30，甚至小于 1/50 或更小。該增強器提供功能齊全的多頻段無線連接，使單個天線增強器能夠在多種移動和無線設計中有效運行，從而縮短上市所需時間，減少產品開發投資，當然也節省了成本。此外，天線增強器實際上是以片式天線的形式構建，因此可以使用傳統的拾放系統進行安裝，這有助于降低生產成本并提高質量和可靠性。 實現匹配 匹配網絡是實現獨特增強器性能的關鍵。雖然天線增強器是標準配置，可用于各種移動產品，但匹配網絡確實需要針對每款產品進行定制，但這是一次性的前期設計工作。 通過更改匹配網絡，可以定制增強器的射頻響應，以覆蓋現代物聯網設備或智能手機所需的多個頻帶。較簡單的單頻帶物聯網設備需要的匹配網絡通常包含三到五個元器件，而多頻帶智能手機可能需要若干增強器，其匹配網絡包含五到八個高 Q 元器件。 Ignion 提供免費的開發工具以簡化設計工作，讓設計人員可以將增強器虛擬放置在電路板邊緣附近，在增強器周圍劃定一個沒有元件的“空白”區域，然后計算匹配網絡所需的無源元件。對于多端口 NN03-320，計算出的匹配網絡允許設備覆蓋多個頻帶和應用，包括 GNSS、藍牙、5G 和 UWB，頻率范圍為 1561 至 1606 MHz、2400 至 2500 MHz、3400 至 3800 MHz、3100 至 4800 MHz 和 6 至 10.6 GHz（圖 5）。
圖 5：當在射頻源和增強器之間安裝合適的無源元件匹配電路時，NN03-320 天線增強器可用于不同的和/或多個頻帶。（圖片來源：Ignion） 針對每個頻帶，NN03-320 規格書使用標準天線參數，包括效率、峰值增益、VSWR、極化和輻射模式，說明了該 50 Ω 虛擬天線增強器和優化匹配網絡的性能。 應用說明給出了典型的匹配網絡示意圖，如圖 6 所示，并且包含一個表格，其中針對每個所需頻率范圍列出了建議的無源元件值。這些值可以作為起始點，需要對其進行調整以考慮意外寄生效應，以及顯示器或 IC 等附近元器件的影響。
圖 6：建議的雙頻帶匹配網絡示意圖，另有一個建議的無源元件值表格，可作為設計、分析和評估的起始點。（圖片來源：Ignion） 結語 天線增強器（如 Ignion 的增強器）是一種不同的射頻能量輻射方式，使用地平面作為輻射表面。此類無源表面貼裝增強器為物聯網設備和智能手機提供了替代傳統嵌入式天線布置的解決方案。只需適當配置無源匹配網絡，單個虛擬天線設備就可以服務于射頻頻譜的不同部分。 |
