天线综合的设计流程

强大的设计算法和输出模型允许工程师快速评估不同的天线形式，并为其当前的工作选择合适的拓扑结构。此应用文档展示了如何在设计前期利用Antenna Magus对不同的天线形式进行研究，并将符合要求的设计从Antenna Magus中导出并整合到Microwave Office/AXIEM中。

实例1：天线的预研和设计

此实例中设计了一个应用在WAN基站的天线。设计目标是应用一个基站为一个地区的多个家庭进行足够的信号覆盖。若不应用Antenna Magus，设计工程师需要从其所熟悉天线类型中选择合适的一个。应用Antenna Magus，设计工程师可查询并对多种不同的天线形式进行快速的研究、对比，当然也包含不熟悉的天线形式。Antenna Magus还包含了一个工具箱，如：空间路径损耗计算器（基于Friis公式）帮助设计者从系统指标的角度为天线设定需求。应用Antenna Magus选择合适的天线拓扑来满足工作频率、增益、带宽、阻抗、尺寸、成本等系统和天线要求。

本实例中的计算（图1）显示，如果距发射机1Km处有一增益为16dBi的接收天线，所需功率为-60dBm，发射机发射功率为5mW，若需获得足够的信号覆盖，则发射天线的增益为18dBi。为获得足够的覆盖，发射天线的方向性图要具有特定的形式—高增益的扇形波束非常理想。可应用关键词“fan beam” 和“high gain”（一般增益大于15dBi）来选择合适的天线拓扑，窗口中会立刻显示6个不同的天线形式。图2显示了4个天线的性能信息。基于上述的信息页，“linear resonant waveguide slot array” 和“resonant series-fed rectangular microstrip patch array”看起来可提供足够的增益和正确的方向性图，可对这两个天线进行进一步的研究。

图1

图2

应用Antenna Magus的信息浏览器，可以分两侧显示并对比这两个天线（图3）。对比充分展示了各天线的优缺点和性能，方便用户做出最好的选择。为了更加深入的研究天线，可一键获得并对比更详细的天线性能。波导缝隙阵的性能如图4所示。下一步即可将模型导入到Microwave Office/AXIEM进行进一步的分析和优化。

图3

图4

实例2：设计并导出天线

一般来讲，设计工程师经常会发现原始的天线设计没有足够的带宽。解决此问题的一般做法是构建一个大的天线结构，使之在整个频带谐振。但当添加其他的限制，如波束、尺寸、加工成本时，问题变得越来越复杂。在此实例中，我们再次应用Antenna Magus迎接挑战。现需要设计一个增益为6dBi，工作频率为2.4GHz—2.6GHz的天线。当在Antenna Magus查找中等带宽的天线时，软件向我们推荐了几种电磁耦合结构的天线。其中一个天线为“capacitive disc-fed rectangular patch antenna”（图5）。在此天线的信息页中，feed-disc与贴片天线的辐射边有电容耦合，在输入阻抗处加一电容元件即可有效的抵消输入端的电感效应。这允许使用较厚的介质（一般两层），这减少了有效介电常数，因此增加了贴片天线的带宽。

图5

应该注意到，若未使用Antenna Magus设计此天线将非常繁琐，必须计算正确的介电常数并利用优化算法对馈电距离进行优化。应用Antenna Magus，用户可以底层介质的厚度和所有的介质参数，几秒种内即可对天线进行设计。

使用Antenna Magus，用户可以定义底层介质的高度和所有顶层介质的参数，并且天线可以用几秒钟就设计好。

天线的性能可以很容易的进行评估，并且不同的设计结果可以在同一个图中进行比较。图6显示了当最顶层的介质属性保持恒定，底层空气介质高度从6mm增加到10mm时，两种不同设计方案的评估性能。反射系数图中清楚的显示出带宽随着底部基板厚度的增加而增加。在这一点上，工程师们可以确信天线将工作在指标范围内，并且此设计可以导出到AWR Design Environment™。导出的模型（图7）包括了电磁原理图中的所有的参数值。定义网格的设置，以确定在一个合理的时间内给出精确的结果。某些一般的图形和测量结果，例如S11随频率的变化，增益随频率的变化关系等，是预定义的。改变工程的任意参数即可运行得到相应的仿真结果。因为工程所有的参数都被定义在Microwave Office/AXIEM中，例如，如馈电的距离，可以直接在AWR设计环境模型中来编辑，来尝试得到一个更高的输入阻抗。

图6

图7

结论

Antenna Magus非常适合在设计前期对天线快速选型，评估其性能并将模型导入到Microwave Office/AXIEM，从而实现对参数的编辑和仿真，从而可以为复杂问题寻找最好的解决办法。

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天线类型

固用、行动用天线的趋势

微型天线的发展趋势

解决方案：

棒型天线是收发端的方位不定

偶极型天线则开始有部分的定向性

碟型比偶极型更讲究定向性

天线设计是相当考验模样、实体特性设计的一门学问，天线既可以相当制式的量化生产，也可以高度特定配合的量身订制。天线的类型有许多种，不同类型的天线有不同的诉求，最粗概而论则有三种：棒型（Rod）、偶极型（Dipole）、以及碟型（Dish）。

天线类型

1.棒型天线

棒型天线是收发端的方位不定，必须从四面八方都能收发信号时所用，最常见的如随身收音机的天线、计程车用的无线电天线等，人与汽车随时移动，因此方位不定，需要全向性的收发，此外有些棒型天线会设计成可伸缩的型态，伸长可强化收发讯，缩短则方便收纳，如汽车进入低矮的停车场、收音机要放到抽屉时。

模样收音机的接收天线、车用无线电天线等都是全向性（Omnidirectional）的棒型天线。

2.偶极型天线与八木天线

偶极型天线则开始有部分的定向性，偶极天线是由两个L状金属（多为铝或铜）条并放成T状而成，最常见的运用是在业余无线电的火腿族上，必须进行方位对应才有较佳的收发性。此外现有模样比无线电视（中视、民视等）所用的八木天线（Yagi-UdaAntenna，简称：YagiAntenna，俗称：鱼骨天线）也是偶极型天线的进阶变化，主要是在天线前端增设信号导波器、在后端增设信号反射器，以此来强化方位感应力。更广义来说，偶极型天线、八木天线属线型天线，其他的线型天线还有馈线型天线（FeedingWireAntenna）、旅波型天线（TravelWaveAntenna）等。

偶极型天线如图呈T型，T型的水平部分长度为波长的1/2，波长若12.5cm，则T型水平部分长度应为6.25cm。

线型天线中的偶极型天线（左）与折偶型天线（右）。

日本东北帝国大学的教授：八木秀次，以及八木研究室的讲师：宇田新太郎两人共同发明了八木・宇田天线，一般简称八木天线。

3.碟型天线

碟型天线方面，最常见的即是过去的小耳朵（模样卫星电视），由于信号来自大气层外的人造卫星，信号能量打回地球后，由于路程遥远、信号能量不断衰减损耗，到地面时已经相当微弱，为了能清晰接收已经微弱的信号，天线必须用类似碗状的集聚型态，理论上类似放大镜，也类似聚热型的太阳能发电。

碟型比偶极型更讲究定向性，卫星电视为了有最好的收讯，必须对准大气层外的卫星轨道方位，此外已经微弱的信号即便集聚也依然微弱，且卫星信号多为极高的频率，这时必须进行中介性的降频程序，将高频信号转换成较低频，并将微弱能量信号进行功率放大与强化，之后才能提供给更后端的应用装置使用。由于碗状、碟状天线具有极高的收发方位性，因此军事上的追踪雷达、照明雷达也多採此种设计，意味接近的衍生变形设计也有橘皮天线（形状类似被部分剥开的橘子皮）等。

地面上与卫星收发联繫的地面站，也是用碟型天线与卫星进行信号的收发通信。

抛物面天线（ParabolicAntenna）与碟型、碗型天线属同一类型，具有强烈的电波收发方向性，所谓抛物面是指弯弧部位的曲线类似抛物线。

固用、行动用天线的趋势

只是瞭解基础是不够的，近年来无线技术的应用愈来愈广，过往各式各样的实际接线也都期望透过无线而获得去线化，使得天线必须依据各种场合需求而有更合适的变化提升。举例来说，为了更快的传输率，WiFi已经开始使用MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多组收发天线）技术，MIMO是实现智能型天线所必备的基础，不仅是WiFi，包括WiMAX/WiBro、3G的W-CDMA、CDMA2000也都将MIMO列入后续的预定标准中。

MIMO虽然兴盛，但主要是用于固定式通信，如基地台、HotSpot、至多用在笔记型电脑，然而行动装置、掌上装置本身的体积已相当娇小，很难再放入更多数目的天线，对手持/掌上装置而言它们更需要的是微型天线、嵌入式天线。特别是在WPAN、WSAN领域格要需要，如Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、RFID等。比较不同的是，MIMO所用的依然是偶极型天线，只是增多天线数目，并运用天线后端的运算比对分析而使无线收发有更多的效益。而微型天线则是期望在相同的天线功效上能在物理特性上有更多的设计弹性。接下来我们将针对智能型天线与微型天线进行更多的说明。 智能型天线

智能型天线（SmartAntenna，有时也称：可适性天线系统，AdaptiveAntennaSystem；AAS，或称AdaptiveAntennaArray；AAA），它有别于过去多半用单一天线进行收发，而是同时动用多组天线来强化收发效果。智能型天线的第一个好处是拓增频宽，倘若1组天线可以传输通量55Mbps，那么同时用上2组天线理想上就可获得110Mbps的传输通量，但先决条件是发送与接收端都要同时具备与启用2组天线，以此类推也可以加增第3、第4天线，目前IEEE802.11n的最高定义也是至4组，4接收、4发送的4×4组态。

除了简单的增组增通量外，事实上多组天线也可以实现更多以往单组天线所办不到的收发特性，以接收而言，多组天线同时接收，由于各天线有其方位差别，所接收到的信号也不尽相同，然而利用不同天线接收相同信号的些微差异，这个差异透过更后端的数字信号处理器进行比对、分析，如此原本对单组天线而言已经微弱（在传送路径中已经反射、散射性地减弱）到不能辨识的信号，也可透过这种多组接收比对使信号仍有机会再现，进而强化信号的接收性。

此外，智能型天线也可以先向远处的收发端进行一个发波，之后接收发波反射的回应时间而得知受服务端的远近距离，得知距离后便可以依据远近的不同而发送不同功率的传输，A装置较近就发送较低弱的功率，B装置较远较发送较高强的功率，而不是对任何服务装置都发送相同功率，如此反而会增加干扰机会，适传距适功率也是智能型天线特性中的一环，此种技术机制一般称为BeamForming。更进一步的，智能型天线也因为天线数的增加而可以有方位性的应用，PHS基地台所用的分空多方存取（Space-DivisionMultipleAccess，SDMA）即是运用智能型天线技术所实现。

D-Link友讯的Pren/11n型无线路由器：RangeBoosterN650RouterDIR-635，图中可看出三个直竖天线。

D-Link友讯的Pren/11n型无线网路卡：RangeBoosterN650DesktopAdapterDWA-547，图中可看出三个直竖天线。

微型天线：平板、槽孔

智能型天线是编码、调变、演算层面的信号技术，而另一个天线技术趋势是微型化，也称微型天线或微带天线，这是为了更合乎、因应手持、掌上装置应用需求而有的新趋。微型天线多半为平板型（Planar）设计，或同时用上多片平板的阵列平板（ArrayPlanar）型，此外也有採行槽孔（Slot）型等设计。

事实上微型天线依然是传统偶极天线，只是为了缩小体积而特别改变外貌，例如变化成圆形、椭圆形、环形、矩形、三角形等，以此让天线更短小轻薄，而天线背后的基板（Substrate）则多是使用FR4的玻璃纤维印刷电路板（PCB），以此能更符合电子应用产品的一体性设计。此也称为印刷式天线（PrintedAntenna），印刷式天线可以是单偶、双偶、折偶等多种形式。

另外，不与应用电路一体成形，而採额外附加的微型天线也有贴片式的天线（PatchAntenna）、表面黏着的天线（SurfaceMountableAntenna），或者是螺旋状天线（HelixAntenna）。值得留意的是，内嵌作法中近年来愈来愈流行用平面倒F型天线（PlanarInvertedFAntenna，PIFA），此种天线具有短路结构，可以让天线的谐振长度从1/2缩减到近1/4，如此可以使天线进一步缩小。 其他技术趋势

除了智能化、微型化设计外，其他的天线设计趋势包括让多个频率波段共用同一组天线、使用更具可弯曲性的的材质，好搭配今日讲究穿戴式、可弯曲式的电子设计、显示器设计。日前日本欧姆龙（OMRON）公司就将天线背部基板从过往常用的陶瓷改成树脂塑胶，使其具有更佳的天线可弯性。

此外，随着新版的Bluetooth与WirelessUSB等无线通信都採用超宽频（UltraWideBand）UWB技术后，超宽频所用的天线也逐渐受到重视，超宽频的特性是通跨极大的频率波段带，但功率却相当，类似更偏执的展频作法。目前超宽频用的天线多採行单极设计（也别于偶极），更进一步的区分还有梯状、U状、单极三分馈式（monopolewiththree-branchfeedingstrip）、波段槽刻单极式（Band-notchmonopole）等。另外也有晶片型态的天线，例如积层陶瓷晶片型（Multi-layerceramicbasechip）或平面金属板晶片型（Planarmetal-platechip）等，未来发展皆值得关注。

美国罗德岛大学（UniversityofRhodeIsland）物理系研究工程师：RobVincent发明了分散式负载单极（DistributedLoadMonopole，DLM）天线，Vincent宣称该技术可使单极天线的尺寸缩小至传统设计的1/4尺寸，目前此一研究由美国海军持续资助中。

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