微型與智慧化天線技術發展趨勢

固定式與移動式產品的不同天線設計邏輯，從分享器與手機可以明顯的觀察出。劉家任攝

前言：無線裝置的數量越來越多，無線傳輸的規格也越來越複雜，要研發出一個好的無線裝置，除了內部的訊號處理IC外，天線的重要性也與日俱增，特別是可攜裝置越來越有空間限制與講求低SAR值的情況下，加上各種無線規格的互相干擾，要讓無線裝置確實發揮性能，天線設計確實成為零組件中很重要的部分。

本文：無線通訊裝置，大概可以分為五大類，即1、行動通訊，如手機與可攜式行動上網裝置(MID、iPad等)；2、資訊產業，如Notebook或Netbook；3、數位家庭，如數位電視訊號、UWB等；4、網通產業，即WLAN與WiMAX/LET等；最後是衛星通訊，如GPS與數位衛星廣播(SDARD)等。

而這些產業的終端裝置，都需要適當的天線配置，發揮產品的正確效能。天線設計通常是根據終端裝置是移動無線或固定無線這兩方面的應用而開發，不過還是有一些共同的需求，例如1、微小型化：由整個ICT產業的發展趨勢，可以發現小型化是目前幾乎所有電子產品的設計驅動力。就算對於固定式無線裝置而言，微型或小型化的天線，都可以讓產品更有競爭力。2、改善效率和增益；天線的效率和增益，都會直接影響接收器的靈敏度和便攜式裝置的電池壽命。3、多頻化：現代化的通訊系統，普遍的要求是無所不在的連通性，因此元件多頻帶的天線最好能允許不同通信系統的互用性。4、滿足前述一切性能需求，還必須降低成本。

由前述可知，天線的設計，往往不是單純的技術問題，特別是在消費性電子產品與行動通訊產品中，天線的存在是外觀的一部分，因此外型也成為設計的一部分，而最佳的外型，就是越小越好甚至隱藏起來。隨著需求者對通訊產品輕薄、短小的要求，針對通訊產品所必備的天線亦需能接受潮流的考驗，除在體積極小化的設計要求下，亦必須能同時在電氣設計上能滿足接收完美的挑戰。故天線的體積由實用為主的長型天線逐步走向所謂輕薄、短小；以行動電話為例，由最初的五截天線開始，歷經伸縮天線、長軟質天線、鎳鈦伸縮天線、短硬軟質天線，到近年來的雙頻、三頻、隱藏式天線。

微型化為天線設計持續不斷的挑戰

微型化與隱藏化為近代天線設計的第一個挑戰。微型化不只是為了美觀，把天線的尺寸設計縮小就好，還有不得不然的因素，主要是現在通訊頻率相當多，以現在越來越多的智慧型手機為例，在電話的通訊蜂巢頻段，需要支援至少3種，多則4種通訊頻段，接著有無線區域網路(WLAN)、衛星定位、甚至還有短程無線如藍牙，這些頻段還是基本配置，如果廠商想要把DVB-T衛星電視訊號，甚至FM廣播接受能力都使用隱藏天線，而未來區式微無線射頻辨識系統(RFID)讀取設備、ZigBee節點裝置等系統成品等亦將開始導入，顯然未來天線的數量與設計之難度登將更高。

在無線訊號種類與需求如此多的情況下，就算頻段相近可以共用天線，但智慧型手機內的天線多支並存的狀況已很常見，因此需要微型化縮小佔用面積。微型化天線實際上還是傳統的偶極天線(Dipole Antenna)、只是將負輻射體移除，改置金屬接地面，接著改良成摺疊式單極天線(Folded Monopole)，接著再改良，目前在設計上，微型天線多半為平板型(Planar)設計，或利用多片平板而成的陣列平板(Array Planar)型，也有採行槽孔(Slot)型等設計。但是平板型天線有輻射效益衰減的問題，現在越來越流行使用平面倒F型天線(Planar Inverted F Antenna，PIFA)來解決此一問題。

微型化天線設計的技術，常常有一些盲點應該釐清，例如天線本身元件與封裝尺寸雖微縮化了，但是隱藏式天線的隔離性與淨空區大小更需留意，特別是淨空區，對於整個裝置而言，才是天線的真正佔用面積。換言之，淨空區的縮減相對於天線的縮減一樣重要，假設某天線受限於設計架構或運作頻段的關係，需要數倍於元件封裝尺寸大的淨空區域才能達成性能要求，則天線微縮的效益將大打折扣，如果導入時不查，勢必在裝置設計時付出慘痛的代價。

隔離(屏蔽)對於避免裝置內的天線互相干擾也相當重要，除了實際拉開兩條天線的距離外，也有利用有機屏蔽材料(OSM)來抑製電磁波干擾的發展趨勢，此外還有單層銀(Ag)及銀包覆層的塗料、鎳(Ni)/ 銅(Cu)塗料，鎳磷二元合金(Ni-P)鍍層及鋁(Al)濺射層，以及泡沫金屬、導電膠、屏蔽窗等，由於單種材質的屏蔽效果有限，目前的設計趨勢為多層複合屏蔽材料設計的屏蔽層，效能可達40db以上。

此外，對於天線熱能管理的重要性，也越來越不能忽視，除了天線的設計外，適當的散熱模式也不可輕忽，例如低溫共燒陶瓷(LTCC)的陶瓷基板天線，將被動電路以及天線的部分都是內埋在的基板裡面，主動元件則是黏著在基板的表面上，再利用磅線把內埋的被動元件與主動元件連結起來的方式等。

智慧型天線

智慧型天線，可視為一種充分利用空間資源進行訊號品質提升、干擾抑制(或消除)及適應性波束調整的機制。因此智慧型天線的效果，不僅來自天線設計，其背後的演算法也相當重要。

智慧型天線的優越性來自於兩方面：其一是充份利用訊號的空間方向性，藉由指向性天線加強訊號接收強度同時消除干擾；再者可於利用豐富的空間通道特性，藉由發射及接收多天線提供空間分集或提高傳輸速率。換句話說，智慧型天線能降低時間延遲延展與多重路徑衰落的影響、增加發射機的發射功率與涵蓋範圍，最終提升通訊品質。

不過由前述的優點偏向發射的特性，讓智慧型天線雖然已經問世幾十年，但是應用多半鎖定在超高單價的基地台上，一般應用終端設備製造者，也不太需要這種技術，但是現在確有了不少突破的契機，例如在一個通訊裝置的控制晶片中，如何將數個無線通訊協定整合進去，而智慧型天線由於很重要的部分是軟體演算法，所以可以擔任整合的要角。此外，GPS應用由於導航是屬於移動式設備，需要不斷地更新衛星訊號位置，藉以判斷其精確定位，智慧型天線對於GPS應用而言，能夠有效提高通訊範圍，因此也可望因此促進智慧型天線在一般通訊裝置上的普及程度。

如果智慧型天線能夠導入攜帶型裝置，除了基地台對用戶端能夠利用智慧型天線在兩者間建立精確的波束場型，降低訊號衰落的狀況，用戶端也可以利用智慧天線的特性接收更精準的波束訊號，大幅降低干擾問題，因此智慧型天線進入終端裝置，勢必是未來天線產業必須注意的發展方向。