天線設計經驗談
本文章並非要對天線理論進行解釋從而到設計，而是實務經驗上對於天線設計進行一種概念式的分享。講到天線，在定義上就是一種可以能量轉換的元件，剛好傳輸距離還不錯就這樣。好像太敷衍了，但天線的淺談的傳輸原理可以參考台大教授撰寫的「漫談電磁學發展與天線科技」的文章[1]。
在天線設計最基本是由三種天線形式所延伸設計出來的，分別是偶極、環形與槽孔天線，俗成天線三寶(自己亂叫的，別認真)。大家對於偶極天線應該是最熟悉的，其實它的輻射原理可以用傳輸線理論來解釋，我們都知道，偶極天線的尺寸為波長的一半，輻射阻抗約73歐姆，詳細推導請參考教科書[2]。
這張圖[3]主要是解釋一下為什麼偶極天線結構會在波長的一半輻射量最大，還記的在傳輸線的文章有討論過，四分之一波長的神奇特性，開路變短路(短路變開路)。而偶極天線的兩端為開路，從饋入點看進去的阻抗會是短路(0)，表示理想上能量能在無損失的傳遞到空氣中，也代表虛部阻抗幾乎為0歐姆。早期偶極天線大量的應用在電視通訊系統(第四台)，傳輸線的特徵阻抗為75歐姆與偶極天線的阻抗(輻射電阻)73歐姆很匹配。然而偶極天線是電流平衡元件，需要巴倫的元件加持，不符合客家精神(省成本)。後來赫茲在葡萄園發生的事不再綴述，來也就演進成單極天線，波長為四分之一波長，輻射阻抗為43歐姆。
主要是透過鏡像原理，在GND處產生相同的電流，感覺就像是虛擬偶極的現象。試想導體少一半，效率就會減半，也就是輻射電阻減半。然而(73+43)除2約等於50歐姆，這時突然恍然大悟，原來現在系統用的50歐姆原來這樣來的。所以輻射電阻攸關著輻射強度？
我們可以從天線教課書知道，天線的電阻分成負載電阻與輻射電阻，事實上我們再說的輻射電阻其實部是真正的電阻，而是散失的能量(輻射到空氣的能量)。負載電阻則是導體實際損耗的電阻。所以天線設計的目的就是輻射出的去，能量進得來!
但偶極天線在現在的電子裝置用的不多，大宗還是以單極、環形與倒F為主。在解釋倒F前，先來說明一下槽孔天線。在還沒接出天線之前，一定很難想像挖一個洞能輻射能量，但其實用傳輸線的理論解釋就不難想像了。
槽孔最簡單的結構就是在金屬板上，開一個孔找一點饋入電源，若結構上孔的兩端為短路，以傳輸線的觀念來看，波信號走二分之波長就是史密斯的圓一圈，短路走完還是短路，開路走完還是開路。所以槽孔的共振頻率為，孔長的二分之一的波長的頻率。那輻射呢?電流方向下方有金屬板，會受到鏡像原理的影響，上下兩端電流抵銷怎麼會有輻射? 是的，沒錯!但輻射藏在孔鏡裡，孔徑上下方會電荷形成磁流，而磁流方向會相同，所以輻射就出來了。
事實上PIFA與Patch天線都是屬於槽孔天線結構，是由槽孔天線變形而成。當初能想到這樣結構的真的是鬼神腦袋阿!
可以看到左圖還是槽孔天線的解構，下面的金屬面實質上是等效下地。那既然是這樣那就，僅左端與右端下地應屬相同結構。那在偶極天線討論到，波走四分之一波長開路就變短路(短路則反之)，且輻射可以達到最大，那也就是說槽孔天線的其中一端(右端)強制切斷，那不就可以在四分之一波長達到最大能量輻射，這樣PIFA結構就誕生出來了。對於天線初學者一定會覺得PIFA跟IFA有何區別?我個人的答案是一樣，PIFA的P在定義上，有兩種，一種是平面(Planer)，另一種表示印刷(Printed)。那至於倒底是哪種?個人覺得不重要，到最後天線的幾何結構會很神奇。會變成「你解讀是甚麼，天線的結構就是甚麼。」
在PIFA結構這裡，可以有一些調天線的準則分享。Feed的位子可以調整阻抗大小，往右一點會阻抗大一點，左一點會阻抗小一點。也就是說從Feed點看進去，Short端可以等效成電感，增加下地的導體路徑可以增加電感。而Open端可以等效成電容。或是在結構上，也可以直接調整，如下圖。
可以延伸PIFA的短路端增加電感值，用Meander(蜿蜒)結構去延伸，若空間允許可用spiral(螺旋)結構去延伸。而在開路端增加平面可以增大電容量，
或是改變與金屬面GND的距離。
最後談談Patch天線，實際上也是槽孔天線延伸發展出來的天線，在槽孔天線提到，因為鏡像原理在孔徑的上下(或是左右)兩端的電流密度互相抵銷，造成電荷累積形成磁流輻射。再回頭看看Patch的結構，有上下金屬板，有大片的ground，兩金屬板有介質隔開，而介質隔開的空間就是槽孔。而磁流由上極板往下輻射，如下圖。共振頻率同樣跟槽孔一樣，由上金屬板長度L決定(二分之一波長)。
看到Patch是不是也會讓你想起PIFA?是的，沒錯! 只要會加個Short地下，一秒變PIFA，如下圖。
有沒有突然想起，上面提到的PFIA的P是Printed呢?還是Planer呢?
參考資料
- 漫談電磁學發展與天線科技，http://web.kshs.kh.edu.tw/math/livemath/NTU/2011_04.pdf
- Antenna Theory: Analysis and Design, 4th Edition
- 天線設計和射頻佈局指南，Tanpan Pattnayak and Guhapriayn Thanikachalam
- 第四張Patch天線設計，邱建文
