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如何为手持设备选择合适的天线?

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  大多数手持便携设备需要一个线性极化天线,并且具有用于覆盖360全方向的全向相位方向图,但真正的全向相位方向图只是理论上的。

  通常,设备的机械结构影响天线相位方向图的形状,并在相位方向图中产生零强度和指向性。如图2所示,在许多情况下,决定真实天线性能的最好方式是天线的完整三维辐射效率,因为它显示了有多少天线的能量被转换成辐射波传输出去,以及由于天线阻抗不匹配所造成的损耗和辐射损耗有多少。

  特别是在小型便携或手持设备中,由于实际使用的设备可能是朝着任意方向,三维效率是比最大增益更好的参数。此外,由于最大增益峰值波束可能朝向用户的身体,增益会由于人体衰减而降低。

机械结构布局

  设备的机械结构布局决定了所需要的天线的尺寸和类型,而天线的尺寸和类型也限制和决定了天线的电气特性。因此,设备的机械结构设计也应该考虑到天线的选择。

  典型的机械结构特性就是形状要素(外部的或内部的)、结构、尺寸、安装方式、连接形式、美学考虑,以及机械结构的持久性和天线部件的可靠性。设备和天线这两者的构成材料选择和机械结构设计直接影响着可制造性。

  恰当的选择可以实现成本敏感、易于制造的方案,特别是对于大批量产品的生产。值得注意是,更大的天线与更好的天线性能没有直接关系。当实现了如下设计规则时,体积小巧的陶瓷天线印证了比体积更大的天线的性能要好得多。
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图2 决定真实天线性能的一个方法就是察看它的整体三维辐射效率图

选择内置天线

  大多数手持设备需要一个内置天线,而不是外部天线,这纯粹是出于美学考虑。实际上,根据应用和设备的功能不同可能需要不止一个天线。

  内置天线的典型结构是印制金属、PCB、塑料基板的柔性印制板、弯折天线、LTCC、陶瓷天线、四臂天线和内置板天线。设备的尺寸和机械结构的约束,以及电气要求,也决定了所要使用的天线的结构和技术。

  大多数这种内置天线可以通过SMD工艺安装、SMT工艺安装、簧片引脚、压簧连接、微型U.FL/I-Pex连接器或直接焊接。 当使用长电缆连接时,信号在电缆中的传输损耗是很重要的因素,其数值可能达到几分贝。

  要想在具有多频段应用的小型手持设备中解决这些最困难的设计问题,就会缩小天线和所需技术类型的选择范围。这些挑战是隔离度、最小增益和效率、手臂/身体影响和特殊吸收率。

  当小型手持设备中的多个天线位置很近时,隔离度就成为非常重要的问题。工作在相同或相近频段的天线彼此间就会发生耦合,性能就会降低。

  选择天线所需要的最小增益和效率成为小型设备设计中的一个挑战,这是由于天线和其他部件的距离很近,如LCD、金属屏蔽壳、电池,以及其他电子部件等。在比较低频段的应用中,如850MHz和900MHz频段,同样也存在挑战,这是由于工作频率越低波长越长。

  人体对手持设备的影响也会产生问题,当人们拿着手持设备接近身体组织时,手臂/身体的影响会造成频率失谐。频率的谐振就会偏离出工作频段,从而会由于阻抗的不匹配和天线性能的下降而使信号产生很大的衰减。

  此外,靠近手持设备的人体组织也会吸收天线辐射的能量,阻止信号向开放空间传输。同样,由于频率可调整的需求,SAR指标也应该被考虑到。

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