第七章倒F型(IFA)天线设计.PDF

第七章 倒F型(IFA)天線設計 7-1 設計目的 無線通訊的快速發展使得手持式的行動通訊裝置從原本的雙頻機演化到三 頻，甚至是四頻，除了基本撥打電話的功能外，還要支援藍芽的點對點短距離無 線傳輸，甚至還要具備多種通訊協定的上網的功能，然而手機的尺寸卻是越做越 薄，任何一寸的空間都不得浪費，因此同時支援多頻段操作的天線在設計上更是 難上加難。細數目前智慧型手機需要包含的頻段大概有 GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/WiFi-Bluetooth 2450/WiMAX 2700， 如此多的操作頻段要設計在一支天線上是個值得研究的課題。前面我們介紹過多 頻段的PIFA天線設計，它是屬於立體式的架構，對某些在厚度方面要求嚴苛的 設計上不太適用。因此，本章將介紹另一種平面化的設計，即倒F形天線 (Inverted-F Antenna)，並提供一款多頻段的倒F形天線的設計流程，讓讀者對 天線設計的流程能夠更清楚，並具備設計用於行動通訊裝置多頻段天線的基本概 念。 7-2 理論介紹 傳統常用的外露式天線形式為單極或偶極天線。單極天線結構簡單、比例頻 寬高，且全向性的輻射場型，因而被廣泛使用在無線通訊產品之中。單極天線為 共振型天線，當天線的長度為工作頻段的1/4波長時，天線上的電流滿足邊界條 件即可產生共振並輻射能量。由於現今的手持行動通訊裝置講求輕薄短小，外型 美觀，因此就衍生出滿足這些需求的內藏式天線。目前常見的內藏式天線，除了 上一節提到的PIFA外，就屬IFA天線(Inverted-F Antenna)，倒F型天線是由 彎折的單極天線演化而來，即傳統通訊裝置的外露式天線，如圖 7-1 (a)所示。 7‐1    而圖7-1 (b)為彎折後的單極天線，由於其外觀像個倒＂L＂的形狀，因此我們 稱之為倒L天線。倒L 型天線的輻射機制與外露式單極天線相似，但彎折過後的 倒L形天線因天線本體與基板(Ground)的距離接近，導致負載電容增加，輸入阻 抗變小，不易匹配到50ohm的輸入阻抗，因此為了補償一些負載電感方便調整輸 入阻抗，發展出了輸入端並聯接地的倒F形天線(Inverted-F antenna)，如圖 7-1 (c)所示。藉由調整饋入點(feed point)與短路(short)之間的距離，可以調 整輸入阻抗使其匹配到50ohm，這便是設計倒F形天線調整輸入阻抗的方法。倒 F形天線是一種天線與基板共平面的結構，因此天線本體除了可用鐵件製作外， 也可直接印刷於電路板上，降低製作成本。   圖7-1 倒F形天線演化過程   7-3 設計原理 倒F形天線的結構因為一邊開路、一邊短路，所以為一種四分之波長的共振 形天線。當饋入訊號的波長為天線長度的四倍時，因天線上的電流分布滿足一邊 電流最強、一邊電流最弱邊界條件，因此電流在天線上共振產生輻射。我們先以 一個共振在900 MHz的天線為例 典型的單頻倒F形天線如圖 7-2所示，天線的 共振長度為H +L +L ，其中L 為饋入點與短路棒(short pin)之間的距離，真 B F B 空中天線的共振頻率可以經由以下公式估算： 7‐2    c f (7-1) 4(H +LB +LF ) 另外要注意的是，天線本體與基板(ground plane)之間的距離H不可太小，此與 天線的Q質有關，天線的高度