天线设计工程师入门之：消费类电子产品的天线类型

前面介绍了天线的参数，怎么样提高电小天线效率。本节主要讲解实际使用中常用小天线的形式。终端通常使用的天线有四种类型常用的天线形式：偶极子、单极子、倒F天线、贴片天线、陶瓷。本节主要介绍实用，所以不介绍公式及推导（主要是小编我也不会。上学的时候老师让我们不要记公式，不要算，看见了招呼它下就好，我也是完美执行着。哈哈）。

一、偶极子天线（本节主要讲半波偶极子）

（1）半波偶极子：

两根导体组成，每根为1/4波长，即天线总长度近似为半个波长（）。  半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线，也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。如图所示，半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长。但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是实现谐振使输入阻抗接近纯电阻，很多时候都是用工作波长的0.48。导线的直径远小于工作波长，天线的激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长，可以忽略不计  实际应用中，我们常见的RFID，WIFI等天线都是采用了该设计形。

特点：1. 电流最大值在中心馈电点，分布遵循余弦规律。半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻，易于和馈线匹配，这也是它获得广泛应用的重要原因。
           2.半波振子是天线的基本辐射单元，波长越长，天线半波振子越大。
     因为组成对称天线的各个电流元在轴线方向上辐射为零，所以无论天线的长度怎么变化，在θ=0及θ=π的轴线方向上始终没有辐射当天线的全长小于一个波长时，方向图仅有两个主叶，且θ=π/2的方向为主射方向，因为在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，相位也相等，合成场强最强。当天线全长大于全波长时，出现副叶。尤其当全长等于两个波长时，即半长L=λ，原来θ=π/2⁄的主射方向变成零射方向，因为虽然在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，但是一半电流元的时间相位与另一半电流元的时间相位相反，两者产生的场强彼此抵消，导致合成场强为零。
 
（2）鞭状（Whiple）天线：单极子

单极子：利用无线大的地平面取代原对称的平面，其由长为h 的直立振子和无限大地板组成（地板以下没有辐射场）      
      
特点：输入阻抗为本偶极子输入阻抗的一半。
          方向性Dm为半波偶极子方向性Dd的两倍（+3dB）。
                    Dm=2Dd=2*1.64=3.28=2.15+3=5.15dBi
单极天线的阻抗为什么半波偶极子的一半，方向性为什么翻倍呢？
当用无线大的地平面取代原对称的平面后代表相反端口，因基本的电性能总是保持不变，即电流不变，电压减半，因此，单极子的天线输入阻抗为最初偶极子输入阻抗的一半。
方向图的形状在H 面是全向的或近似全向；E 面方向图的最大辐射方向与地板的尺寸有关；无限大金属接地板时，其E 面方向图最大辐射方向垂直于振子轴；有限大金属接地板时，其方向图有所上翘。因为场强不变而辐射功率减半，单极子仅在上半空间进行辐射，因此单极子方向性Dm为偶极子方向性Dd的两倍。
                       金属接地板或地平面尺寸对方向图的影响要比对阻抗的影响大得多，因为当地的尺寸有限时，不能形成—个完整的镜像。由于边缘绕射线的作用，在下半空间存在—定的辐射。通常情况下，单极子天线的金属接地板或网应该至少大于0.5λ。为了抗衰落，h应尽可能大一些。一般情况下，h=0.53λ左右较为适宜。

【小课堂：在接收天线高度小于0.25λ时，存在为正值的近地损耗。在接收天线高度大于0.52λ时，随着高度和水平距离的变化，近地损耗正负交替变化（大约垂直高度变化一个波长近地损耗就会实现正负交替），在非常贴近地面时，近地损耗才恒为负值，其余的均为交替出现】

实际使用场景：


（3）倒F天线

单极子天线的高度为四分之一波长，但是不适合现在消费类产品，因此需要减小天线的高度，便于适应更加紧凑的结构设计，于是便将单极子折倒形成倒L天线。倒L天线剖面较低，也有着比较好的全向辐射特性。但由于将振子折倒从而形成了对地电容分量，其输人阻抗呈现低阻值高阻抗的特性，难以进行阻抗匹配。为了平衡倒L天线由于振子折倒而形成的对地容抗分量，在振子弯折处加载短路结构。该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯折所形成的对地容性分量，从而在不改变天线谐振频率的同时，达到变换阻抗目的。由于整个天线的形状像个倒写的英文字母F，故得名。

   通过改变H和S，调整输入阻抗匹配到50欧姆。
   通过改变d，可以增加带宽，即天线在更大的带宽内匹配。
   将顶部的辐射线用辐射平面替代，从而形成平面辐射单元
      演变过程：
单极—>高度限制—>倒L—>输入阻抗小—>倒F（PIFA）—>带宽—>倒F平面化      
 
（4）PIFA天线

但是当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想（辐射电阻小），所以为了增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载的技术，演变为PIFA天线（Planar Inverted F-shaped Antenna）。

PIFA天线看做是由线性倒F天线（即IFA）天线衍变而来的。对于IFA天线而言，其辐射单元、接地线都是细导体线，这样等效的射频分布电感较大，而分布电容较小，这就意味着天线具有较高的Q值和较窄的频带，倒F天线频带通常不到中心频率的百分之一。根据电小天线Q值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低Q值，因此将IFA天线的细导线用具有一定宽度的金属片取代，这样可以增大分布电容和减少分布电感，平面部分相当于许多线形天线阻抗的并联，因此平面型天线比线形天线的输入阻抗要低一些，产生了宽带的谐振特性，从而增大天线带宽。这样就形成了PIFA天线。

PIFA天线的基本结构包括四个部分：接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线，其典型的结构如下图所示。其中，接地平面可以作为反射面，辐射单元是与接地平面平行的金属片，短路金属片用于连接辐射单元和接地平面，同轴馈线用于信号传输。
  从技术方面来说，PIFA是由单极天线演变而来；从理论方面，PIFA可以由微带天线理论发展而来。所以在调试过程中必须注意下面几点：
1、  在终端小天线调试中 (c为真空光速)
  支架材料的介电常数。较厚的厚度以及低的介电常数的材料会使天线的特性更好些。（前面有讲过介电常数和磁导率对波速的影响，不清楚的记得爬楼。）
   H：对带宽起决定性作用的结构参数
   W：影响天线的谐振频率外，也会影响天线的带宽（对于相同的谐振频率来说，短路金属片越窄，辐射金属片的面积也就越小，从而通过减小短路金属片的宽度可以进一步缩小天线的尺寸。）
2、PIFA天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比（6-8dB），比外置天线有较好的SAR值。
3、PIFA天线的辐射主要靠边缘。而边缘的场越往外倾斜，辐射越好（开放场）。这就是为什么PIFA天线的高度如此重要的原因。
其实以上的说发比较简单了,现在的微带、随着技术水平的不断发展,形状奇怪的天线多了
但是其特点是不会变的
 
特点：a.相对带宽比偶极子天线小
           b.贴片天线的小尺寸限制了对方向图的控制特性。
           c.基材的材料会严重影响贴片天线的性能。

 一般介电常数较低的会有一个较好的天线特性，但是又会增加天线的尺寸；反之，较高介电常数会实现小尺寸天线，但是也会减少天线的带宽。利用这种特点，人们又制作出了陶瓷天线。

现实中，常见PIFA天线
          
（5）螺旋天线(helical antenna)  
     
它是一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网（或板）相连接。

1）D/λ<0.18时，为了缩短长度，可把它卷绕成螺旋状。因此，它的特性与单极细线天线相仿，具有8字形方向图，并且频带很窄，一般用作小功率电台的通信天线。
2）D/λ=0.25～0.46时，天线沿轴线方向有最大辐射，并在轴线方向产生圆极化波。常用于通信、雷达、遥控遥测等。
3） D/λ＞0.5时，最大辐射方向偏离轴线方向，它是在螺旋的中心轴线上放置一根金属导体，当螺旋一圈的周长l=nλ(n=2，3，…整数)时。这种天线可用作电视发射天线。
  通过上面的图形，要求我们在设计时需要了解使用的场景，再选择对应的天线。
现实中，常见陶瓷天线

（6）陶瓷（Ceramic）天线  

陶瓷天线因体积小的特点，被用在越来越多的场合。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上； 而多层天线烧制采用低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结，所以天线的金属导体可以根据设计需要印在每一层陶瓷介质层上，如此一来可以有效缩小天线尺寸，并能达到隐藏天线目的。由于陶瓷本身介电常数比pcb电路板的要高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸。
     
在实际使用过程中，经常会有人问“为什么实际测试出来的天线效率和增益，与规格书上面的数值存在较大差异？”因为实际的产品应用中，产品的“地”与规格书所给的“地”的尺寸、形状都有所区别，导致应用中天线环境变化，使得测试的数据产生差异。上面我们有提过“天线附近物体的天线或“地”的变化，会导致天线输入阻抗的变化，从而引起天线的失谐”，再加上不同“地”长对天线反射的影响。所以如果想要减小两者的差异，实际的布板尺寸和位置尽可能的规格书一样。

现实中，常见陶瓷天线
 
上节我们有提过“天线附近物体的天线或“地”的变化，会导致天线输入阻抗的变化，从而引起天线的失谐”。这是因为在实际的产品应用中，产品的“地”与规格书所给的“地”的尺寸、形状都有所区别，导致应用中天线环境变化，使得数据产生差异，我们得重新调整匹配电路中元器件参数。 

（6）金属天线（因没有仔细研究过该类型的天线，暂时不做深入讨论）
为了满足用户对审美要求， 目前市场上越来越多的产品开始采用金属边框工艺,甚至很多背部是塑料的机壳也开始完全被金属后盖所取代。虽然金属工艺可以提升产品的质感与美感，但是采用金属工艺也确实大大增加了天线的调试难度。电磁环境的恶化，使得天线设计越来越具有挑战。目前比较常见的金属天线有缝隙（Slot） 天线和边框天线

 缝隙（Slot） 天线
 缝隙天线即在金属臂上增加缝隙来改变电流路径，加载缝隙后，贴片电流就绕过缝隙增加贴片电流路径长度，降低了天线的谐振频率，天线的尺寸相应减小。
    
缝隙天线的特点：
1.缝隙的横向尺寸w＜＜λ，纵向尺寸2l≈0.5λ（缝隙w越宽，缩短程度越大）。
2.在终端天线调试中需要注意终端产品天线设计中，大多是采用微带线馈电，但是馈线本身有辐射，馈电点的位置会对集成的天线会产生影响。不同的馈电位置具有不同的阻抗，为了实现与50Ω同轴线匹配，馈电位置：s≈λ/20
      
边框天线，天线设计融入金属边框，而将金属边框纳入作为天线的一部分，主要是利用金属边框进行辐射延伸, 这种方式一般包含以下几种天线形式：IFA、Monopole、Loop。
最后总结下常用小天线的应用场合：
⑴ On Board板载式:采用PCB蚀刻一体成型，性能受限，极低成本，应用于蓝牙、WIFI模组集成；  随着相关工艺不断地发展，可调谐的射频天线技术是未来手机天线唯一进化方向，天线最终可能会成为一个类似电阻电容一样标准的器件出现。