顛覆傳統的高功能晶片天線設計 讓個人行動裝置「無線」輕巧
- 周志伸
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前言：幾乎所有的個人行動裝置，不管是筆記型電腦、個人數位助理、智慧型手機、甚至數位相機，都需要有無線上網功能。而台灣也抓緊此世界潮流，發展成全球無線網路終端設備與使用者端設備的主要生產國。就無線通訊技術與產品而言，天線產品或技術，就是佔有重要地位的關鍵零組件。在激烈競爭中如何脫穎而出，不損失性能的小尺寸設計即是答案。
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從西元1990年以來，網路技術蓬勃發展，即使在2000年時，受到網路泡沫破滅的洗禮，網路科技仍然日新月異，網路資訊內容爆炸性成長，作為一個現代人，幾乎可以說沒有一天能脫離網路而生活，甚至可以說網路科技改變了所有現代人的生活型態－每天需要藉由電子郵件和外界溝通，利用短訊(short message)迅速地和親朋好友交換訊息，利用網路搜尋來取得最新資訊。而當個人的活動廣泛且多元化，上網方式也由網路線固接，逐漸轉變成無線上網。幾乎所有的個人行動裝置，不管是筆記型電腦、個人數位助理、智慧型手機、甚至數位相機，都需要有無線上網功能。而台灣也抓緊此世界潮流，發展成全球無線網路終端設備與使用者端設備的主要生產國。
觀察台灣過去電子產品的發展軌跡，我們可以知道，如何依新世代產品的需求先期開發關鍵元件，即時推出新產品所需要的元件，或提供性能優越的替代元件，將能使該新產品在市場上佔有相對優勢，並能協助國內外相關產業的發展及增加競爭力。就無線通訊技術與產品而言，天線產品或技術，就是佔有重要地位的關鍵零組件。為了能有穩定的上網能力與資料下載速度，個人行動裝置都需要效能優越的天線裝置，來強化其訊號收發能力，以便能隨時輕輕鬆鬆上網無障礙。
以網路連線相當重要的無線路由器(WiFi AP Router)為例，大多數市售機種還是採用外置雙極(Dipole)棒狀天線，不但影響外觀設計、佔用很大的體積、使用不方便，材料與組裝成本也都很高。尤其是商務人士用的口袋型路由器，如果還要外掛一支棒狀天線，更是不搭調。
如何將天線設計成隱藏內置
目前想要將天線設計為內置，目前主要有幾種形式可供選擇，包括：金屬片沖壓成型天線、印刷電路板天線，以及晶片天線(Chip Antenna)。模具沖壓成型金屬天線，在生產上都需要開發金屬加工成型模具，開模具不但貴而且時程長，對於新產品開發的成本與時程控制甚為不利。而且不論是使用印刷電路板製成的天線或模具沖壓成型金屬天線，最後都需要用人工組裝於行動裝置內，不僅人工成本高昂，而且人工組裝的良率較不穩，對品質的管控較困難。何況不管是金屬沖壓天線或是印刷電路板天線，其尺寸都相當大，並不符合個人可攜式產品輕薄短小的趨勢需求。
晶片天線是個人行動無線裝置的首選，目前業界常見的晶片天線設計方式為單極(Monopole)天線以及PIFA(Planar Inverted-F Antenna)天線兩種。然而，不管是單極天線或是PIFA天線都是一種電場天線，容易受到電抗近場內之介電物質影響，而產生阻抗的變化，造成頻率失準。也就是說，所有接近天線的元件都有可能影響天線，降低了天線訊號收發效率。另外，天線內置化後，天線在無線裝置的機殼內輻射微波訊號，而無線裝置內部可能有大面積的電路板或各種金屬元件，他們都可能影響天線之功能。所以，內置型天線通常會面臨三大性能上的挑戰:
1. 使用者人體的影響，造成天線阻抗的不匹配。
2. 行動裝置內之電路板或金屬元件，會破壞天線輻射場型，造成天線在某些方向的輻射效率低落。
3. 天線尺寸縮小後造成輻射效率降低
如何解決內置型天線所帶來的問題
在工程設計上，如何解決上述三種問題，是現今天線工程師的重要課題。最近天線業界新發展出的一種晶片天線創新設計，結合了迴路天線與PIFA天線的特性與優點，其所發展出的創新晶片天線，可以有效解決上述的三大難題，詳細說明如下文所示:
1. 降低人體對天線效率的影響：天線的電抗近場分為電場或磁場兩種型式，人體屬於電介質，對電抗近場的電場效應影響較大，會造成天線餽入阻抗的變化。所以，如果天線電抗近場的電場效應較強，當人體靠近天線時，天線的效能會受到比較嚴重的影響。當天線採用封閉型迴路天線的設計，可以讓天線電抗近場的磁場效應比例增加，相對降低電場效應的影響，因而降低了人體對天線效能的影響。
2. 降低電路板或內裝金屬件對天線輻射場型的破壞：當內嵌式天線輻射出來的電磁波訊號，碰到內裝金屬元件時會有耦合現象發生，使金屬元件產生感應電流，此感應電流會依金屬元件的幾何形狀激發出二次輻射，形成雜訊，進而干擾天線之訊號收發，影響天線之效能。如果能減少此種二次輻射電磁波的產生，或是設法讓二次輻射電磁波與天線輻射出來的原始訊號，形成建設性干涉，而不是破壞性干涉，那麼，天線受到的干擾便會顯著減少，天線的效能可以顯著提高。
所以，晶片天線的創新設計與應用概念，是把電路板上的金屬線路、接地層或其他金屬元件，設計成為天線幅射體的一部分，讓這些金屬體加強天線的輻射效率，並避免破壞性干涉的產生。如此則破壞性干涉或雜訊減少了，內嵌式天線的效能可以顯著提高，甚至可以超越外置的棒狀雙極天線。
3. 如何提高內嵌式天線的輻射效率：強調輕薄短小的手持式裝置，內部空間相當狹小且珍貴，尤其在蘋果公司所推出的時髦產品造成風潮的影響下，外觀造型常常是推出新產品的訴求重點，天線的擺放位置通常會受到侷限，所以天線尺寸的縮小是必然的趨勢，而依據天線的基本物理法則，天線縮小後勢必會降低天線的效率，所以如何在縮小天線尺寸的同時，還能保有天線的高輻射效率，即為重要的課題。
依據前面所提到的創新設計觀念，讓天線能結合電路板上的金屬元件，共同形成強大的電磁波輻射，即使天線體僅是幾毫米的大小，但是產生電磁波的輻射體，實際上卻包含了電路板上的其他金屬元件，此有效輻射體積遠大於天線本體，如此就能在縮小天線體積的同時，還保持高的輻射效率。
實例驗證理論
針對前述的論點，列舉一些實例說明，更能清楚解釋：
圖一的相片顯示三種不同型式的內嵌式天線，圖一A是以印刷電路板(PCB)製程製作的PIFA天線，黏附於路由器的機殼內側。圖一B是以金屬沖壓製程製作的PIFA天線，鑲嵌在電路板上。圖一C是本文所闡述的創新晶片天線，利用表面黏著製程(SMT)安置於電路板上。此晶片天線的尺寸僅為3.2x1.6x0.5mm，遠小於其他類型的天線。
然而如表一所示，此天線之三度空間訊號輻射效率遠高於其他類型的天線。圖二所示為印刷電路板PIFA天線，在電磁隔離室內所量測到的3D輻射場型，如前文中所述，因為這種天線容易受到電路板上金屬元件干擾的影響，導致天線輻射場型中，有很多輻射效率差的凹陷區域。
圖三為本文所述創新晶片天線的3D輻射場型，輻射效率高且場型相當圓滿。由此可見，應用本創新型晶片天線於無線網路路由器，可以顯著提高路由器的訊號強度。從圖三的輻射場型圖中還可以發現，本晶片天線在垂直方向的輻射強度相當高，對透天住家等需要將訊號傳送到不同樓層的使用環境，使用本晶片天線的路由器，更能圓滿達成使命。
結論輕薄短小天線，也能滿足通訊需求
本創新設計的晶片天線，除了上述無線路由器的應用實例外，也適用於各式各樣的無線通訊產品，例如:網通卡、筆記型電腦、智慧型手機、小筆電、電子書、導航機(PND)等。表二則是晶片天線應用於藍芽耳機的實測資料，分別運用創新晶片天線技術與傳統單極晶片天線來製作藍芽耳機的天線，並於相同環境下做天線效能之量測，如表中所示，創新晶片天線的訊號輻射增益值，遠高於傳統單極晶片天線。
由上述應用實例的實測資料顯示，經由天線設計原理的創新與天線使用環境的改良，輕薄短小的晶片天線，仍能滿足行動通訊系統對無線通訊效能上的需求，其天線輻射效能，遠優於傳統印刷電路板或鐵件沖壓PIFA天線，也優於傳統單極晶片天線。(本文作者為詠業科技研發部經理周志伸先生)
