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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域，天線(xiàn)一直處于一種相互矛盾且有時(shí)令人困惑的狀態(tài)。一方面，天線(xiàn)只是簡(jiǎn)單的無(wú)源換能器，用于實(shí)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(xiàn)的具體物理實(shí)現、配置、樣式和尺寸之多令人無(wú)所適從。自無(wú)線(xiàn)技術(shù)的早期（想想馬可尼一百多年前發(fā)明的電報）以來(lái)，天線(xiàn)的概念、設計和制造經(jīng)歷了幾個(gè)大的階段。 第一階段 第一代天線(xiàn)基于兩種基本結構之一：一是具有相關(guān)地平面的單極天線(xiàn)，有時(shí)稱(chēng)其為鞭形天線(xiàn)（圖 1）；二是配置各異的平衡非接地偶極天線(xiàn)，例如折疊偶極天線(xiàn)（圖 2）。雖然研究人員和工程師知道天線(xiàn)性能最終是由麥克斯韋的四個(gè)清晰利落的方程控制，但由于建模和計算極其復雜，人們無(wú)法將這些方程直接用于天線(xiàn)設計。 
圖 1：長(cháng)線(xiàn)或鞭形天線(xiàn)的布置是一個(gè)使用地平面（這里是汽車(chē)的表面，左）的單元件設計；天線(xiàn)的示意圖顯示其很簡(jiǎn)單（右）。（圖片來(lái)源：Lihong Electronic（左）；Electronics Notes（右））
圖 2：基本偶極是一個(gè)沒(méi)有接地基準的平衡式、對稱(chēng)天線(xiàn)（上），如圖所示（下）。（圖片來(lái)源：TCARES.net（上）和 Tutorials Point（下）） 因此，與天線(xiàn)相關(guān)的分析僅限于使用一些基本方程來(lái)確定天線(xiàn)元件的尺寸，例如單極天線(xiàn)、偶極天線(xiàn)、長(cháng)線(xiàn)天線(xiàn)和其他幾種配置。這些方程也根據經(jīng)驗法則、直覺(jué)和現場(chǎng)試驗進(jìn)行了修改。例如，偶極天線(xiàn)使用導管（而非細線(xiàn)）會(huì )增加其帶寬，這是好事還是壞事要取決于具體應用；以經(jīng)驗和基本測量為指導可估算帶寬增加量與導管直徑的關(guān)系。即使是關(guān)于天線(xiàn)設計及其工作原理的學(xué)術(shù)討論，也很少討論除基本布置與波長(cháng)關(guān)系以外的方程式，而基本布置與波長(cháng)的關(guān)系已在 1926 年關(guān)于經(jīng)典八木-宇田天線(xiàn)的技術(shù)論文（參考資料 1）（圖 3）中闡明。
圖 3：基礎型八木天線(xiàn)（上）是一種三元件天線(xiàn)，廣泛用于商業(yè)、住宅和軍事應用。三個(gè)元件（下）分別是：一個(gè)從動(dòng)（有源）偶極元件，后面有一個(gè)無(wú)源反射器，前面有一個(gè)無(wú)源引向器，全部安裝在一個(gè)懸臂上。（圖片來(lái)源：EuroCaster/Denmark（上）；RFWireless-World（下）） 第二階段 天線(xiàn)設計創(chuàng )新的第二波始于能夠捕獲天線(xiàn)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(shí)間內求解電磁場(chǎng)模型和方程。 借助這些“場(chǎng)解算器”，新天線(xiàn)配置的設計人員可以綜合運用天線(xiàn)理論和從現場(chǎng)經(jīng)驗獲得的洞察力來(lái)提出新的布置，對其進(jìn)行建模，并最終“在紙面上”量化其性能，使得初始設計階段無(wú)需物理模型和現場(chǎng)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(shí)使工程師能夠專(zhuān)注于天線(xiàn)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(chǎng)研制的第一架隱形飛機 F-117“夜鷹”就是一個(gè)非凡的例子（參考資料 2 和 3）。關(guān)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(chǎng)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(xiàn)的固有傾向。這反過(guò)來(lái)又導致飛機以類(lèi)似天線(xiàn)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(jiàn)。 大不相同的第三階段 我們現在正進(jìn)入基于模型的天線(xiàn)設計的新浪潮——從另一個(gè)角度應對挑戰。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備或智能手機并不依賴(lài)專(zhuān)用天線(xiàn)來(lái)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(xiàn)被 Ignion 的 NN03-320 DUO mXTEND 天線(xiàn)增強器（圖 3）取代，后者是一款 7.0 mm 長(cháng) × 3.0 mm 寬 × 2.0 mm 高的無(wú)源器件，尺寸約為傳統天線(xiàn)的十分之一（請注意，在 2021 年之前，Ignion 被稱(chēng)為 Fractus Antennas）。
圖 4：Ignion 的 NN03-320 DUO mXTEND 是一款微型無(wú)源器件，它使用產(chǎn)品的電路板地平面來(lái)輻射射頻信號。（圖片來(lái)源：Ignion） 憑借其獨特的虛擬天線(xiàn)專(zhuān)利技術(shù)（針對基于新一代微型元器件的“無(wú)天線(xiàn)”技術(shù)的商業(yè)名稱(chēng)），無(wú)論印刷電路板的尺寸或外形如何，該增強器都能同樣實(shí)現。設計人員通過(guò)創(chuàng )建和調整匹配網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)增強器和周?chē)牡仄矫嬷g產(chǎn)生了一種全新有益的協(xié)同作用。做一個(gè)粗略的類(lèi)比——將小型音頻壓電驅動(dòng)器連接到堅硬的桌面：桌面會(huì )產(chǎn)生共振，其結果是音頻輸出水平顯著(zhù)提升。 Ignion 天線(xiàn)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(xiàn) (PIFA) 和印刷電路天線(xiàn)。這些增強器比工作波長(cháng)小得多，通常小于波長(cháng)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(wú)線(xiàn)連接，使單個(gè)天線(xiàn)增強器能夠在多種移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)設計中有效運行，從而縮短上市所需時(shí)間，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投資，當然也節省了成本。此外，天線(xiàn)增強器實(shí)際上是以片式天線(xiàn)的形式構建，因此可以使用傳統的拾放系統進(jìn)行安裝，這有助于降低生產(chǎn)成本并提高質(zhì)量和可靠性。 實(shí)現匹配 匹配網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現獨特增強器性能的關(guān)鍵。雖然天線(xiàn)增強器是標準配置，可用于各種移動(dòng)產(chǎn)品，但匹配網(wǎng)絡(luò )確實(shí)需要針對每款產(chǎn)品進(jìn)行定制，但這是一次性的前期設計工作。 通過(guò)更改匹配網(wǎng)絡(luò )，可以定制增強器的射頻響應，以覆蓋現代物聯(lián)網(wǎng)設備或智能手機所需的多個(gè)頻帶。較簡(jiǎn)單的單頻帶物聯(lián)網(wǎng)設備需要的匹配網(wǎng)絡(luò )通常包含三到五個(gè)元器件，而多頻帶智能手機可能需要若干增強器，其匹配網(wǎng)絡(luò )包含五到八個(gè)高 Q 元器件。 Ignion 提供免費的開(kāi)發(fā)工具以簡(jiǎn)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?chē)鷦澏ㄒ粋�(gè)沒(méi)有元件的“空白”區域，然后計算匹配網(wǎng)絡(luò )所需的無(wú)源元件。對于多端口 NN03-320，計算出的匹配網(wǎng)絡(luò )允許設備覆蓋多個(gè)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(wú)源元件匹配電路時(shí)，NN03-320 天線(xiàn)增強器可用于不同的和/或多個(gè)頻帶。（圖片來(lái)源：Ignion） 針對每個(gè)頻帶，NN03-320 規格書(shū)使用標準天線(xiàn)參數，包括效率、峰值增益、VSWR、極化和輻射模式，說(shuō)明了該 50 Ω 虛擬天線(xiàn)增強器和優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò )的性能。 應用說(shuō)明給出了典型的匹配網(wǎng)絡(luò )示意圖，如圖 6 所示，并且包含一個(gè)表格，其中針對每個(gè)所需頻率范圍列出了建議的無(wú)源元件值。這些值可以作為起始點(diǎn)，需要對其進(jìn)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(wǎng)絡(luò )示意圖，另有一個(gè)建議的無(wú)源元件值表格，可作為設計、分析和評估的起始點(diǎn)。（圖片來(lái)源：Ignion） 結語(yǔ) 天線(xiàn)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(lèi)無(wú)源表面貼裝增強器為物聯(lián)網(wǎng)設備和智能手機提供了替代傳統嵌入式天線(xiàn)布置的解決方案。只需適當配置無(wú)源匹配網(wǎng)絡(luò )，單個(gè)虛擬天線(xiàn)設備就可以服務(wù)于射頻頻譜的不同部分。 |
