UHF低功率小型天线的设计要点.doc

UHF低功率小型天线的设计要点前言最近有几个小型的无线电网络系统正在发展当中，比较有名气的包括有蓝芽系统(Blue-Tooth)及Home RF等，这些都是微功率的通讯系统，自然也会大量牵涉到选用的天线系统。另外，不论是保全或者是汽车遥控等其它民生用途，也应用到许多的微功率无线电通讯。还有许多其它像是影音传输等消费性电子产品，也应用到不少的微功率无线电系统。在这些应用当中，最为普遍的首推ISM波段(注1)的应用，因为依照国际电讯联盟(ITU)的规范，使用ISM波段不需要申请执照，也就是该波段是属于开放性的，因此这里也就以ISM波段应用的天线为例子来做说明，其中使用最普遍的频率是434MHz及916MHz(注2)。一般开放性数据库当中，有关UHF小型天线的数据非常有限。对于微功率无线电通讯相关产品而言，天线的质量非常重要，因为它主宰了有效的通讯距离，因此天线的选用与设计是非常重要的。此类产品的设计中，于天线设计方面，除了成本考虑外，还必须要选对天线的种类，才能达到最好的成本/性能比。除此之外，与发射机及接收机的匹配与调谐也非常重要，为了要有最佳的整体性能，设计者自然要懂得天线的工作原理，以及应用时的一些重要考虑因素。本文最主要的目的是希望能够协助此类天线的非专业设计者，能够从有限的基本知识中，以很有效率的方式，完成最佳的天线设计。在未进入主题之前，先以浅显的方式来介绍早期天线发展的历史，虽然这是以业余无线电的眼光及角度去看的，但是早期无线电的发展与业余无线电的发展，几乎是可以画上等号的，因此，这实际上也可以说是无线电天线的发展史。一门失落的艺术-正本清源谈天线如果你是一位资深的业余无线电爱好者，那么我想你一定也熟悉天线（Antenna）的另一个名称，叫做Aerial，所谓Aerials就是指一条条用来发射或接收无线电讯号的长导线；当然这是指高科技人员在还没将它们发扬光大，并称它们为天线之前的情况。一群无线电盘古开天的无线电家们，经常利用各种导线来测试他们所发明或改良的无线电机器，一般情况下是噪声横飞，更惨的是导线融化，再不然呢就是真空管烧了一大堆，或者是保险丝烧了一大片。我完全没有正规的天线理论基础与这方面的学府教育，所以决定用“以古鉴今”的方式来了解天线。当然最主要的是，我打算介绍几种原先被认为不可能实现的天线，但实际上使用如常，那其中的奥秘自然值得探讨。天线的发展历史 Whire无意中发现了天线我们一路回到最早期的无线电发展，在电力未发明以前，所有的机器大都是以煤油供应动力。最早期的一个实验家名叫怀尔(Whire)，他发明的无线电发射机可以发出很大的火花，实际上他发明的就是以火花放电原理，来产生无线电波的火花放电发射机。但是在实验过程当中让他最纳闷的是，试用了无数的方法，就是无法很清楚地接收到这部火花发射机所发射出来的讯号。后来有个用来印证电波是不是会受一般有形物阻挡的试验，试验过程中他就把发射机摆在桌子底下，为了想取得讯号，于是把接收机用一条导线吊在天花板上，就这样用来验证电波是否可以穿透实验桌面。而令他感到意外的是，吊接收机的这条导线，竟然使接收机的效率好了许多，因此他就把吊着的导线留在那里，从此便称他的接收机为无线电接收机(Wireless Set)，他并且把这一份结果整理成报告发表于QST杂志(注3)上。 Grownd发现接地的妙用在Whire发现天线的雏形之后好几年，另一位名叫Grownd的发现到，供电给桌子上的台灯有两条导线，但是接收机的天线只有一条，为什么只有一条天线可以做得那么好，因此他就针对这个问题继续探讨下去。这个问题让Grownd困扰不已，但是事情就是如此之巧，就在不久后他买了一部车子，且发现车灯也是使用一条导线而已，当然还有另一条线是接车子的外壳。这促使他想到一个问题，那就是：若同样把发射机的其中一条导线接到一个共同的接点上，是不是会比较好？于是他就用了一条金属管打入地底下，并拉出一条线接到发射机上头，这竟然使讯号增强了许多，同样地他也把这重要的发现发表在QST杂志上，于该文中建议每一座无线电台都需要有接地(Grownd)。 跷跷板延伸出来的Diople 在天线发展史上，接下来一个主要的突破，是由Diople发明。有天当DIP(Diople的昵称)走过一个游乐场时，发现当地的狮子会员正在玩跷跷板，他发现这些狮子会员都很快地能保持平衡，这想必其中有人运力，使跷跷板在极短的时间内保持平衡。 DIP回到家后，马上拿了一条导线接到机器外壳上头，另一条导线则接发射机输出，这就成为一组崭新的天线，其实此天线就是后来所称的DIOPLE天线，是为了记念Diople，而以他的名字来命名。 台灯联想出来的虚接地 在QST上读过Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole天线之后，一位名叫Count Herpoise的欧洲贵族，他发现自己的台灯不只两条线，而是三条线，因为这国家的电力系统是330V，这虽然很正常，但是他想到为什么北美地区也要有三条线。这也就促成他发明了虚接地线，而此理论当时很少人知道，甚至有人不以为然。不过今日对天线有兴趣者，必定知道，虚性接地是必须的，而这些虚接地通常也称做Counterpoise，用发明者的名字来称呼它以资纪念。另外也在QST上读过Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole天线的Von Trap，由于他家空间不够大，所以沿着天线每隔几英呎左右绕几个圈，好把过长的部份缠绕起来，并且在缠绕的电感上并联电容，这也就是崔伯双偶极(TRAP Dipole)天线的诞生。 从美国QST杂志发行有史以来，写过有关天线发展史的，我全读遍了(注4)。其中最富传奇色彩的是物理学家Morries Nimatch，他的朋友们都昵称他做Mo，他是第一位提出天线理论，有关馈送到长条天线的功率，有些不会被辐射出去。他为了彻底了解这一理论，有关功率发射出去的有多少，以及被反射回来的有多少，而发明了驻波比表（驻波比现在英文正名为Standing Wave Ratio;而当时SWR是See What Returns的缩写，意思是有多少功率被折返）。为了纪念驻波比表发明者，以前曾有人把驻波比表称做MoNimatch。 很多有关简易的驻波比表制作，从早期的文章中不难找出来做参考。当然懒惰的现代人，到店里掏出腰包，便可以把一个价昂但很精美的驻波比表带回家。 QST照例报告了极为成功的Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole天线。这一系列的发展下来，很像印度教的导师精神。最后一位承袭者是Raoul Random，他发现跷跷板上两端物体互异，但是调整距离也可以达到平衡。从前文一系列发展下来，我们可归纳出以下几点总结： 无线电机器，有一条导线接着之后，性能便好的不得了，这导线就称为天线(Aerial)。 如果把上述无线电机器的外壳接地，那性能就更妙。 若天线旁有些巧妙的附属安排，则无线电机器的接收，简直妙不可言。 从无线电机器后端拉出去的天线，若是拉开，使呈电力呈现平衡状态是最好的。 平不平衡可以由简易的驻波比表测量出来。 可以把天线体部份长度缠绕成电感状，使天线体变短，同时也能引出一些电容来。 天线的平衡与否，不必看天线在形体上是否对称。 以比较轻松的角度看完天线的早期发展历史，下面就要进入正式的主题，低功率小型天线的设计要点。基本的天线格调与工作原理 天线是个看似很专业的名词，其实天线的基本原理并不复杂，天线可以是任何的导线或者是导体，此一导线或导体可以通过脉冲或者是交流讯号电流。这一电流通过导线或者是导体时，会产生电场及磁场，而这些电磁场就与通过导线的电流节奏一样，假如在旁边有另一导线通过这电磁场，便会感应出电流，而此电流就与另一条产生电磁场的导线上之电流一样，只是电流规模会小很多。假如产生电磁场的导线很长，比如长到大约一个波长左右，那么由这导线所产生出的电磁场辐射，就可延伸达到很远的距离。图1 基本的四分之一波长鞭状天线最简单的天线就是鞭状天线(WHIP)，参看图1所示。所谓的鞭状天线指的就是一根长四分之一波长的导管或导线站立在接地面上，最普遍的例子就是汽车上用的天线，以及做为广播接收天线、市民波段天线、及业余无线电用天线，甚至是大哥大的天线。鞭状天线的发展可以追朔到1890年代，当时马可尼进行无线电波实验，使用的就是鞭状天线，当时马可尼希望能够印证无线电波可传递到很远的地方。 为了达成这个理想，他把一根天线延伸得很长，而且高耸在地面上，因为当时试验用的频率很低，波长相当长，所以天线的长度也就很长，马可尼于当时得到一个结论，就是天线离地面越远，接收的效果越好。 天线与其它电子零件一样，最少也要有两个接线端点，鞭状天线也不例外，除了天线主体外，接地面就是其中的一个接线端，也许是所谓的接地面并不明显，它可能是线路板的接地铜箔，甚至可能只是干电池的负端。 由鞭状天线主体及接地面才能组成一个完整的天线，因为天线必须要透过主天线体与接地面之间才能建立起电磁场，这样有了交流讯号的通路，才能算是完整的电路。标准的接地面必须要延伸出四分之一波长以上，在环境或空间不允许之下，接地面可能会较小，这虽然照样可以正常运作，但是性能会有很大的折扣。 四分之一波长鞭状天线的尺寸并不小，对于1MHz的AM广播波段而言，四分之一波长大约是75公尺左右，但是对于FM广播波段而言，比如是100MHz，则四分之一波长大约是75公分，这种四分之一波长的尺寸会随着频率的上升而逐渐缩小。例如频率到了1000MHz，四分之一波长就只剩下7.5公分，如果以公分为单位的话，四分之一波长就是以7500去除以频率(MHz)。但这算出来的长度只是一个参考基准点，因为实际应用时，天线长度可能需要长一些，也可能需要短一点。如天线主体肥胖时，可能就要短一些，或者不是从天线底端做馈送点，可能要短一些；至于天线体所摆放的接地面太小时，那么天线体可能就要适度地加长了。 天线的长度要从靠近真正的接地面算起，或者从发射机的输出阜算起。如果有这么一只鞭状天线装在盒子内，而且采用一般的接线连接到发射机，那么从发射机到天线盒之间的接线也会成为天线体的一部份。 为了确保天线可以正常调谐工作，采用外接天线时，记得要使用同轴缆线来连接天线，对于一般的双面线路板，可以使用一面接地板另一面布置铜箔线的方式来模拟同轴缆线。之所以强调要采用同轴缆线，一方面是为了要确保天线的正常运作，另一方面也可确保讯号在传输过程当中，会有最小的损失。同时更要注意天线体不能太靠近接地面，否则会变成传输线而不是天线体。天线的特性 l 增益如果天线的辐射效率太差，我们就称这只天线的增益很低。天线的增益是以一只参考天线为基准而进行比较的增益值，例如四分之一波长鞭状天线以及偶极天线(Dipole)，就是一般测量天线增益时的主要参考天线。偶极天线其实与四分之一波长鞭状天线是堂兄弟，把四分之一波长鞭状天线所站立的接地面改成另一个天线体，就是所谓的偶极天线。 如果一只天线所拾取或辐射的强度比偶极天线低了6dB，我们就称这只天线的增益是-6dBd 。那么这样的一只天线可以达到的距离或范围就只有偶极天线所及的一半，因为一般小型天线的效率都比偶极天线差，因此小型天线的增益大多是负值。 l 辐射图案辐射如果从侧面来，或者是与天线体呈直角，就会有最佳的效果。因此对于垂直的四分之一鞭状天线而言，除了从正上方来的方向外，都会有不错的接收效果。所以以辐射图案来说，四分之一波长鞭状天线可以说无指向性，但是对于从天线体两端点方向过来的，会有很大的盲点(Null)，或者说是有最小的讯号感度。 对于并不是标准的四分之一波长鞭状天线，如天线体有些许弯曲，那么这些大盲点很可能就会消失，对于天线的性能，如果能掌握住辐射图案，我们就可以避免在通讯的有效领域范围内出现大盲点。 l 极化对于同一通讯系统内的另一方，天线有同样的极化格式非常重要，也就是说通讯的双方，要有相同的极化格式。例如水平极化天线碰到垂直极化天线就会显得不灵光，一般的现实环境里头，可能因为极大的金属物或接地面造成电波反射，而使得极化改变。 对于极化不同的天线，最大差别可以达到20dBd ，例如水平极化讯号以垂直天线做接收，讯号损失可以高达20 dBd。而圆形极化以水平或垂直天线做接收，也会有数dB的损失。而在卫星广播领域内，甚至是相同频率，可以采用不同极化方式发射而成为两个频道，例如相同频率以左旋及右旋分别成为两个不同节目讯号。 l 阻抗关于通讯系统当中一个很重要的考虑要素，就是发射机(或接收机)与天线之间的功率转换效率如何。如果发射机的天线调谐线路是设计成50奥姆负载，当然就要采用50奥姆的天线系统。但如果是标准接地面上的四分之一波长鞭状天线之馈送点阻抗是35奥姆，这虽然与50奥姆不符，但也算很接近。 但是四分之一波长鞭状天线的馈送点阻抗，会因为物体接近或者是天线体倾斜等因素，使得馈送点阻抗产生急剧变化。例如鞭状天线体如果倾斜45度角，馈送点阻抗会降低到20奥姆或更低，如果倾斜更接近地面，则馈送点阻抗甚至会低于10奥姆，这就造成电压驻波比可以高升到5:1，如此阻抗不匹配所造成的损失可以高达2.6 dB 。残段天线 (或以线路板结构为基础的鞭状天线) 四分之一波长鞭状天线，可利用线路板上的铜箔来设计在线路板上，而且这种做法会随着频率的升高而显得经济实惠。例如在工作频率达到800MHz以上时，以线路板设计天线就很实用。至于频率太低时，恐怕就不是很实用，因为频率低天线长度太长，可能会使天线要拐几个弯。一般而言，四分之一波长鞭状天线以线路板设计时，天线的实际长度可能会比演算出来的长度小10%到20%之间，这就要视线路板的设计与使用的材质及厚度而定。一般情况下，以小15%进行设计就可以了，如果性能不是很理想，再视实际情况做调整。假如操作使用的场合是有手提情况时，通常会更短些，这才能补偿因为手靠近天线所造成的影响。 对于916MHz而言，四分之一波长鞭状天线的长度正常是80毫米，但是为了补偿手靠近天线的效应，天线长度就减为57毫米。至于实际设计时，记得要让天线远离其它电子线路或者是接地面，至少要6毫米以上，因为太靠近天线体的铜箔，可能会被天线误当为接地面，或成为天线接地面的一部份，使得这些铜箔会引起一些射频讯号的流窜。参看图2是制作在线路板上的四分之一波长鞭状天线例子，整块线路板的大小及接地面大小并没有很严格的限制，这样的天线辐射图案并没有方向性。参看图3所示，其增益大小约在-8 dBd到-12 dBd 之间，如果线路板是水平摆放，则电波就是水平极化。 假如天线体没有和接地面呈平行状态，则天线的增益会高一些，但是高增益的后果就是会出现盲点，此时会在天线体两端延伸出去的方向出现盲点。假如线路板是垂直摆放的，则电波就会成为垂直极化波，天线体若是垂直摆放在接地面上，则天线就不会有方向性，其增益会是-8dBd左右。 小型(短)鞭状天线鞭状天线可不一定非要是四分之一波长不可，另一种不同型式的鞭状天线称之为短鞭状天线。通常一根垂直的地面天线，其馈送点会呈现出电容性，为了弥补这电容性，可以采用电感来去除它。因此缩短了的鞭状天线，在靠近接地面端就必须要使用电感来去除电容性，这里的电感可以让天线体本身缠绕呈线出来。 这类的短鞭状天线，与全长的鞭状天线性能相接近。为了不要让缩短的鞭状天线性能恶化太大，通常会从接地面下手，把接地面加以调整，以便适合缩短的鞭状天线。通常缩短的鞭状天线会比全长的鞭状天线增益低约3到4dBd。缩短的鞭状天线参看图4，其辐射图案参看图5。图2 设计在线不板上的鞭状天线 图3 图2线路板天线的辐射图案图4 典型的短鞭状天线 图5 图4天线的辐射图案线路板上的短鞭状天线 前文介绍的短鞭状天线，它的好处就是可以直接以线路板的形式来设计，至于接近馈送点的电感，可以利用SMD型式的电感来做。如果天线体很接近接地面甚至是与接地面平行，则天线的馈送点阻抗会很低，大约会只有10奥姆左右，但是如果把手会接近线路板的因素考虑进去的话，则天线的馈送点阻抗会明显地上升。 以十分之一波长的铜箔为天线主体，假如把手靠近的因素一并考虑，则天线的电容抗会接近150奥姆，对于434MHz而言，这就需要大约47毫微亨利(nH)的电感，来去除由约长70毫米的铜箔所造成的电容性电抗。参看图6及图7所示，就是典型线路板上的短鞭状天线，工作频率分别是434MHz及916MHz。 这种天线的辐射图案大致上没有很明显的指向性，大概会在沿天线体的方向上产生一个并不很深的盲点，至于极化方面，大抵上是沿着线路板边的方向，这种天线并没有很严格的调整要求，不论是负载电感值有稍微的误差或者是天线体长度不很精确，对于天线的性能并没有很大的影响。 以图6及图7的例子来说，沿着板边方向的增益大约是-12.5 dBd到-14dBd之间，至于盲点方向上的增益深度大约在-26dB左右，这与一般小型天线做比较，产生的指向性并不明显，况且手靠近时会减缓盲点的深度，使指向性更不明显。 在这个设计当中，最重要的是要保持低阻抗损身，所以要选用适当宽度的铜箔，以及适合的负载电感。实际装配时，可以调整这里的负载电感，使得天线的效能最好，天线体如果可以加长，自然可以降低负载电感值，也就可以提升天线增益。但是有时为了避免天线体与其它电子线路混杂在一起，反而有必要缩短天线体及增加负载电感值。图8是图7天线的辐射图案。 图6 线路板上的短鞭状天线实例 图7 线路板上的短鞭状天线实例图8 图7天线的辐射图案平面螺旋天线除了加装负载电感之外，另外一种缩短鞭状天线的方法，就是把天线在同一平面上以螺旋的方式缠绕起来。这种方式也同样适用于制作在线路板上，对于制作在线路板上的螺旋天线而言，其铜箔的总长度会比四分之一波长稍微短了一些，这种天线并不一定需要一个实质的接地面在它的下方或旁边，但是天线摆放的位置必须要有够明朗的空间，不能有任何的穿插阻隔。例如要在约20毫米40毫米的空间中，以瘦小的铜箔沿着螺旋的方式走完约15毫米的长度，这就形成一只434MHz的平面螺旋天线。 参看图9所示，此天线的增益及阻抗与接地面息息相关。图中所示的434MHz螺旋天线例子，