天线收发技术、构型设计动向

2011-02-05 22:20:23来源: 我爱研发网

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4x4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。

关键字:天线  收发  技术  构型

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0205/article_3472.html
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