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颠覆传统的高功能芯片天线设计 让个人行动装置「无线」轻巧

  • 周志伸

作者:咏业科技 研发部经理 周志伸先生

前言:几乎所有的个人行动装置,不管是笔记本电脑、个人数码助理、智能型手机、甚至数码相机,都需要有无线上网功能。而台湾也抓紧此世界潮流,发展成全球无线网络终端设备与使用者端设备的主要生产国。就无线通讯技术与产品而言,天线产品或技术,就是占有重要地位的关键零组件。在激烈竞争中如何脱颖而出,不损失性能的小尺寸设计即是答案。

图一A、 外接式印刷电路板PIFA天线黏贴于机箱内侧

图一B、金属冲压PIFA天线直接镶嵌于电路板上

图一C、创新设计的SMT芯片天线(位于上缘正中央)

图二、印刷电路板PIFA天线的3D辐射场型

图三、创新SMT芯片天线3D辐射场型

本文:
从公元1990年以来,网络技术蓬勃发展,即使在2000年时,受到网络泡沫破灭的洗礼,网络科技仍然日新月异,网络信息内容爆炸性成长,作为一个现代人,几乎可以说没有一天能脱离网络而生活,甚至可以说网络科技改变了所有现代人的生活型态-每天需要藉由电子邮件和外界沟通,利用短讯(short message)迅速地和亲朋好友交换讯息,利用网络查找来取得最新信息。而当个人的活动广泛且多元化,上网方式也由网络线固接,逐渐转变成无线上网。几乎所有的个人行动装置,不管是笔记本电脑、个人数码助理、智能型手机、甚至数码相机,都需要有无线上网功能。而台湾也抓紧此世界潮流,发展成全球无线网络终端设备与使用者端设备的主要生产国。

观察台湾过去电子产品的发展轨迹,我们可以知道,如何依新世代产品的需求先期开发关键元件,实时推出新产品所需要的元件,或提供性能优越的替代元件,将能使该新产品在市场上占有相对优势,并能协助国内外相关产业的发展及增加竞争力。就无线通讯技术与产品而言,天线产品或技术,就是占有重要地位的关键零组件。为了能有稳定的上网能力与资料下载速度,个人行动装置都需要效能优越的天线装置,来强化其讯号收发能力,以便能随时轻轻松松上网无障碍。

以网络联机相当重要的无线路由器(WiFi AP Router)为例,大多数市售机种还是采用外置双极(Dipole)棒状天线,不但影响外观设计、占用很大的体积、使用不方便,材料与组装成本也都很高。尤其是商务人士用的口袋型路由器,如果还要外挂一支棒状天线,更是不搭调。

如何将天线设计成隐藏内置

目前想要将天线设计为内置,目前主要有几种形式可供选择,包括:金属片冲压成型天线、印刷电路板天线,以及芯片天线(Chip Antenna)。模具冲压成型金属天线,在生产上都需要开发金属加工成型模具,开模具不但贵而且时程长,对于新产品开发的成本与时程控制甚为不利。而且不论是使用印刷电路板制成的天线或模具冲压成型金属天线,最后都需要用人工组装于行动装置内,不仅人工成本高昂,而且人工组装的良率较不稳,对质量的管控较困难。何况不管是金属冲压天线或是印刷电路板天线,其尺寸都相当大,并不符合个人可携式产品轻薄短小的趋势需求。

芯片天线是个人行动无线装置的首选,目前业界常见的芯片天线设计方式为单极(Monopole)天线以及PIFA(Planar Inverted-F Antenna)天线两种。然而,不管是单极天线或是PIFA天线都是一种电场天线,容易受到电抗近场内之介电物质影响,而产生阻抗的变化,造成频率失准。也就是说,所有接近天线的元件都有可能影响天线,降低了天线讯号收发效率。另外,天线内置化后,天线在无线装置的机箱内辐射微波讯号,而无线装置内部可能有大面积的电路板或各种金属元件,他们都可能影响天线之功能。所以,内置型天线通常会面临三大性能上的挑战:

1. 使用者人体的影响,造成天线阻抗的不匹配。
2. 行动装置内之电路板或金属元件,会破坏天线辐射场型,造成天线在某些方向的辐射效率低落。
3. 天线尺寸缩小后造成辐射效率降低

如何解决内置型天线所带来的问题

在工程设计上,如何解决上述三种问题,是现今天线工程师的重要课题。最近天线业界新发展出的一种芯片天线创新设计,结合了回路天线与PIFA天线的特性与优点,其所发展出的创新芯片天线,可以有效解决上述的三大难题,详细说明如下文所示:

1. 降低人体对天线效率的影响:天线的电抗近场分为电场或磁场两种型式,人体属于电介质,对电抗近场的电场效应影响较大,会造成天线馈入阻抗的变化。所以,如果天线电抗近场的电场效应较强,当人体靠近天线时,天线的效能会受到比较严重的影响。当天线采用封闭型回路天线的设计,可以让天线电抗近场的磁场效应比例增加,相对降低电场效应的影响,因而降低了人体对天线效能的影响。

2. 降低电路板或内装金属件对天线辐射场型的破坏:当内嵌式天线辐射出来的电磁波讯号,碰到内装金属元件时会有耦合现象发生,使金属元件产生感应电流,此感应电流会依金属元件的几何形状激发出二次辐射,形成杂讯,进而干扰天线之讯号收发,影响天线之效能。如果能减少此种二次辐射电磁波的产生,或是设法让二次辐射电磁波与天线辐射出来的原始讯号,形成建设性干涉,而不是破坏性干涉,那么,天线受到的干扰便会显著减少,天线的效能可以显著提高。

所以,芯片天线的创新设计与应用概念,是把电路板上的金属线路、接地层或其它金属元件,设计成为天线幅射体的一部分,让这些金属体加强天线的辐射效率,并避免破坏性干涉的产生。如此则破坏性干涉或杂讯减少了,内嵌式天线的效能可以显著提高,甚至可以超越外置的棒状双极天线。

3. 如何提高内嵌式天线的辐射效率:强调轻薄短小的手持式装置,内部空间相当狭小且珍贵,尤其在苹果公司所推出的时髦产品造成风潮的影响下,外观造型常常是推出新产品的诉求重点,天线的摆放位置通常会受到局限,所以天线尺寸的缩小是必然的趋势,而依据天线的基本物理法则,天线缩小后势必会降低天线的效率,所以如何在缩小天线尺寸的同时,还能保有天线的高辐射效率,即为重要的课题。

依据前面所提到的创新设计观念,让天线能结合电路板上的金属元件,共同形成强大的电磁波辐射,即使天线体仅是几毫米的大小,但是产生电磁波的辐射体,实际上却包含了电路板上的其它金属元件,此有效辐射体积远大于天线本体,如此就能在缩小天线体积的同时,还保持高的辐射效率。

实例验证理论

针对前述的论点,列举一些实例说明,更能清楚解释:
图一的相片显示三种不同型式的内嵌式天线,图一A是以印刷电路板(PCB)制程制作的PIFA天线,黏附于路由器的机箱内侧。图一B是以金属冲压制程制作的PIFA天线,镶嵌在电路板上。图一C是本文所阐述的创新芯片天线,利用表面黏著制程(SMT)安置于电路板上。此芯片天线的尺寸仅为3.2x1.6x0.5mm,远小于其它类型的天线。

然而如表一所示,此天线之三度空间讯号辐射效率远高于其它类型的天线。图二所示为印刷电路板PIFA天线,在电磁隔离室内所量测到的3D辐射场型,如前文中所述,因为这种天线容易受到电路板上金属元件干扰的影响,导致天线辐射场型中,有很多辐射效率差的凹陷区域。

图三为本文所述创新芯片天线的3D辐射场型,辐射效率高且场型相当圆满。由此可见,应用本创新型芯片天线于无线网络路由器,可以显著提高路由器的讯号强度。从图三的辐射场型图中还可以发现,本芯片天线在垂直方向的辐射强度相当高,对透天住家等需要将讯号传送到不同楼层的使用环境,使用本芯片天线的路由器,更能圆满达成使命。

结论轻薄短小天线,也能满足通讯需求

本创新设计的芯片天线,除了上述无线路由器的应用实例外,也适用于各式各样的无线通讯产品,例如:网通卡、笔记本电脑、智能型手机、上网本、电子书、导航机(PND)等。表二则是芯片天线应用于蓝芽耳机的实测资料,分别运用创新芯片天线技术与传统单极芯片天线来制作蓝芽耳机的天线,并于相同环境下做天线效能之量测,如表中所示,创新芯片天线的讯号辐射增益值,远高于传统单极芯片天线。

由上述应用实例的实测资料显示,经由天线设计原理的创新与天线使用环境的改良,轻薄短小的芯片天线,仍能满足移动通信系统对无线通讯效能上的需求,其天线辐射效能,远优于传统印刷电路板或铁件冲压PIFA天线,也优于传统单极芯片天线。(本文作者为咏业科技研发部经理周志伸先生)