如何在無淨空電路板上設計效率良好的天線
- 蔡謹隆
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前言：天線為了避免與PCB上的電路與元件互相干擾，一般都會在電路板上設定淨空區塊，不可放置其他金屬，不過在現今越來越輕薄短小的終端產品設計下，淨空區域越來越小甚至完全沒有，而電磁干擾源卻越來越多，都讓天線設計開始必須考慮如何在沒有保留淨空區域的狀態下，仍能設計出效能良好的天線。
本文：
天線裝置係為無線通訊裝置之必備元件。一般而言，在無線通訊裝置之電路板上會形成一具有較大面積的金屬接地面，如圖一、電路板示意圖所示，傳統的晶片型天線乃放至電路板的四個角落處且需額外規劃出一淨空區(淡藍色區塊)。在此淨空區內不可放置其它金屬器件，以避免天線與電路板上其它元件形成干擾而影響天線的收發特性。然而現今無線通訊裝置在研發方向上，除了要求尺寸輕薄短小以外，更期望具備更多功能。
如此一來，雖然裝置可能縮小，或是增加更多功能，但不僅線路設計的複雜度大為提高，使用到的元件數量亦相對增加，即使是電路板的角落也可能因設計需求，必須鋪上接地面來設置天線以外的電子零件。如此改變，可能會造成淨空區被迫縮小，電磁干擾問題更明顯而降低天線的輻射能力，信號收發效果也因此降低。當電路板上的金屬器件(如電池、LCD螢幕、I/O連接器…等)覆蓋住天線時，不僅會使得該天線的頻率特性失調，同時，也會對輻射特性產生干擾，造成天線無法正常操作。
針對角落未保留淨空區塊研發的自由天線
以華新科技為例，針對角落未保留淨空區的區塊研發出自由天線(Free Antenna) 型號FRA1903，其主要的特色在於能夠在無淨空區的環境下，仍保有良好的輻射效果。如果連角落都擺滿零組件，而無任何角落空間擺放天線，就可以參考其最小的側行天線(Edge Anteana) 型號ECA3216，尺寸只有3.2mm x 1.6mm。這款設計是為了針對無法將天線擺放於角落的限制，係一個具有可調整阻抗匹配機制且可設置於金屬地面之電路板的任何邊緣，而不再佢限於角落處的高輻射效能天線。
綜上所述，為因應無線通訊產品「輕薄短小」與天線位置靈活運用的設計需求，使用者可向廠商提出整體的天線解決方案，透過專業建議，使用者可依實際電路布局來選擇最適合的天線種類。
圖一為一般的電路板示意圖，其可代表一般的無線手持式裝置，如無線滑鼠、藍牙耳機、手機、USB Dongle。若是在狹長形淨空區以及非常小尺寸的Dongle中，使用狹長天線(Corridor Antenna) ANT8010更可充分發揮其輻射效率。當此區域表面需鋪接地面，可使用自由天線(Free Antenna) FRA1903 (綠色部分)。針對非角落的邊緣處，需之淨空區極小且趨於全向性，華新科表示，建議使用側行天線 (Edge Antenna) ECA3216(橘色區塊)，此款天線所目標朝向終端產品，特別適用於藍牙 、WIFI等資訊傳輸，兼具最小尺寸與不受環境干 擾的特性，特別合適藍牙耳機、超輕薄手機、無線滑鼠 等迷你行動裝置。
實際設計電路與性能
華新科三款天線(ANT8010、ANT5220、ANT3216)，係針對不同的淨空區狀態，做更精細的設計。
ANT8010
ANT8010是一款狹長形( Corridor Antenna )天線，可應用在2.4－2.5GHz的天線，其尺寸為8.0X1.0X0.8mm3 SMD製品程，具有薄型化與高強度設計，主要建置在PCB的四個角，而且特別適合應用於狹長淨空區，其頻寬超過100MHz增益大於2 dBi，足以應用在目前藍芽無線傳輸。
ECA3216
針對不同的淨空區尺寸最佳化，華新科技PIFA天線ECA3216，側形天線( Edge Antenna )在體積上僅3.2mmx1.6mmx0.6mm，效能相較於同類PIFA天線更佳， 其訊號轉換效率高達80 %以上， 傳導接收靈敏佳 。此款全向性天線適用於WIFI、Bluetooth等傳輸，小型化的體積。
關於PIFA天線，其輻射體的面積和形式還是對輻射接收靈敏度有一定的影響，而華新科的ECA3216可應用於智慧型手機及其他個人導航裝置和筆記型電腦等無線傳輸上，並預計明年的出貨量將呈倍數成長達到1000萬支以上。
FRA1903
因應可攜式終端產品對於功能匯聚的需求，天線擺放位置更有彈性， 華新科技推出了採PIFA設計的自由天線(Free Anteana)FRA1903。其設計可以完全擺脫淨空區的限制， 使其與環境干擾隔離開來，並在微型電子設備應用中實現了傳輸最佳化，此全向性天線其最大增益為2dBi, 其效率可達70%以上。產品應用方面除了藍牙手機、智慧型手機外， 還可用於電子書、數位相框、AP等3C產品上。
正由於有這樣的產品效能，目前華新科技正積極擴展大陸市場，預計明年的出貨量會提升至50% 以上。(本文作者為華新科技高頻研發技術部課長蔡謹隆)
