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ISM 频带与短距装置天线基本原理:第2 篇本文介绍无线射频与天线的
ISM 頻帶與短距裝置天線基本原理:第 2篇
作者:德州儀器 Matthew Loy 與Iboun Sylla,
本文介紹無線射頻與天線的基本原理以及實用的天線設計原則
天線種類及其特色
本文將深入介紹下列常用天線:半波長偶極天線(half-wave dipole) 、四分之一波長單極天
線(quarter wave monopole) 、橫向模式螺旋天線(transversal mode helical) 以及小型環狀天線
(small loop) 。
半波長偶極天線
圖 6 :半波長偶極天線
圖 6所示的半波長偶極天線是許多其它天線的基礎,也是測量天線增益和輻射功率密度時
所用的參考天線。
在諧振頻率上,波長之半剛好等於偶極天線長度,此時天線中央端點的電壓為最小值,電
流則為最大值,亦即阻抗為最小。因此,半波長偶極天線可與圖 2所示的串聯 RLC諧振
電路進行對照。對於無損耗的半波長偶極天線而言,等效諧振電路的串聯阻抗就等於輻射
電阻,其值隨著長度直徑比的不同,通常介於 60Ω到73Ω之間。
諧振電路或天線的頻寬是由電感對電容的比值決定。若串聯電阻保持不變,導線的線徑越
大,則其電容值越大且電感值越小,頻寬就變得更大。這正是測量用天線的線徑特別大的
原因。
半波長偶極天線等實際天線的輻射特性多少都有些方向性,這與假設性的等向輻射體並不
相同。若要測量天線的輻射場型(radiation pattern) ,可先在一定距離測量水平和垂直面的
輻射功率密度,然後轉換為正規化偏振圖。
圖 7即為半波長偶極天線的輻射場型。
圖 7 :半波長偶極天線的輻射場型
由於偶極天線對稱於其軸,故三維輻射場型會繞著天線軸旋轉。
半波長偶極天線的等向增益為2.15dB ,故其垂直於天線軸方向的輻射功率密度會比等向輻
射體高出 2.15dB ,天線軸方向則完全沒有輻射功率。半波長偶極天線會產生線性偏振,其
電場方向則與天線軸平行。
半波長偶極天線常做為測量參考天線,因此天線增益有時是指半波長偶極天線的輻射功率
密度,而不是等向輻射體。另外,量測時也會使用等效輻射功率(ERP) ,而非有效等向輻
射功率 (EIRP) ;所謂等效輻射功率是指要提供多少功率給理想偶極天線,才能得到與受測
裝置相同的功率密度。半波長偶極天線與等向輻射體的天線增益及輻射功率關係式分別為
Gdipole = Gisotropic - 2.15dB 以及ERP = EIRP - 2.15dB 。
由於半波長偶極天線兩個端點的對地阻抗完全相同,故其訊號饋送必須採用差動方式。這
表示在使用半波長偶極天線的系統中,發射機輸出和接收機輸入最好都提供差動連接埠。
但若發射機或接收機採用的是單端架構,或者電路會用到天線開關,那也可利用單端/ 差
動轉換器 (balun)搭配半波長偶極天線。可直接用於產品製造的外接式半波長偶極天線會內
建單端/差動轉換器,同時提供一組單端界面。
半波長偶極天線是一種電場天線,這表示它很容易因為電抗近場出現介電常數大於 1的物
質而造成天線調諧失準。舉例來說,如果裝置的機殼就在天線的電抗近場裡,那麼調整天
線時就必須先讓機殼就定位。另外,人體介電常數高達 75 左右,故若將電場天線戴在身
上或握在手裡,都可能造成天線調諧嚴重失準。
如果天線是由印刷電路板上的兩段跡線(trace)構成,那麼電路板基材的介電常數就要列入
考慮。電抗近場區的電場會有一部份延伸至電路板基材,另一部份延伸到電路板週圍的空
氣,而有效介電常數 e 則介於空氣和電路板基材兩者的介電常數之間,其值為:
eff
⎡ ⎤
ε 1 ε 1 ⎢ 1 w 2 ⎥
ε r + r − ⎢ 0.04 1 ⎛ ⎞ ⎥
eff + × + × − ⎜ ⎟
2 2 ⎢12 h ×
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