2005 年 元月號
PIFA 應用於手機之設計與模擬分析
隨著無線通訊的蓬勃發展且許許多多的通訊產品均趨於小型化，為了符合此需求，一些內 嵌式的天線 也要求體積要小， PIFA(Patched Inverse F Antenna)形式的天線除了可符合將天線主體平面化以達到小型的目的外，在天線設計上如能有效改變平板上的幾何外型，將有機會達到雙頻甚至三頻以上的結果，這樣的天線設計在支援多頻的天線內藏式行動電話中相當普遍，另外其接近全向性的輻射特性也是被用於行動電話天線的原因之 一 。本文以Nokia 3310 的天線模型為範例，並利用高頻電磁模擬軟體Micro-Stripes作為數值模擬之工具，以敘述其天線的相關參數與輻射特性。 物理模型 此天線的幾何結構主要包含一個接地面與 距離此接地面上方8m m高度的地方，放置一個平面作為天線的主體(其外觀可如圖一所示)， 此接地面 與天線的材質於軟體中 均設為銅且 厚度分別為1m m與 0.5m m，此外，接地面的尺寸設定為41.5*115* 0.1m m，另外，圖一右圖所示為軟體自動於幾何結構建立之後，依此結構自動產生 的網格系統 ，由圖中可發現軟體會依幾何結構區域自行做非 均勻網格分佈 (non-uniform grid distribution)。
圖一、 Micro-Stripes 模型 與網格分佈 情形 天線本體之幾何外型與訊號 饋 入位置如圖二所示，距離饋入點約 10m m處並設定一接地端，使天線更容易達到阻抗匹配(impedance matching)，圖二右為實際天線之外觀。模擬所使用之饋入方式以50歐姆(Ohm)金屬線(Wire) 等效之 。
圖二、天線本體幾何外型模型與實際天線外觀 模擬結果 本天線設計為雙頻的收發天線，該操作頻率目標落在 900M Hz與 1800M Hz以符合GSM系統之頻段，這裡我們 將前節所 述之天線模型透過電磁模擬軟體Micro-Stripes來協助分析計算，並就其計算後之後處理結果做簡單的說明。由圖三的Return loss參數的曲線，可發現在兩個頻率有相對最小的Return loss值出現，該值表示的系統訊號輸至天線，也就是於 饋入端 的訊號反射情形，當此值愈小，表示反射能量愈小，也就是大部份的能量均傳遞至天線。因此，由圖三的Return loss參數曲線可看到，當頻率在 888M Hz與 1.89G Hz，能量反射最小，兩頻率之Return loss值分別約為-22dB與-13dB。兩頻段的Return lose值之差異原因可由Smith Chart中看出其阻抗匹配的狀況，並可藉由該圖做為進一步調整天線的阻抗匹配之依據。
圖三、 Return loss 與 Smith Chart 之模擬結果 輻射 場形對於 天線設計而言是相當重要的考量，也關係到天線收發訊號好壞的關鍵。圖四為該天線於低頻頻段 ( 888M Hz)所表現的遠場場形圖，左邊黑色線代表E-Plane的 輻射場形 ，紅色則表示H-Plane的 輻射場形 ，由圖中參數亦顯示該頻段之天線增益(Antenna Gain)大小為2.36dBi；圖五為該天線於高頻頻段( 1.89G Hz)所表現的遠場場形圖，天線增益(Antenna Gain)大小為3.806dBi。從兩者的比較也不難發現，雖然是同一 個 天線所發射出的 輻射場形 ，低頻與高頻所展現出來的並不盡相同，甚至有可能相差甚遠，造成如此結果的原因所需要考量的因素相當多，包括了波長頻率與相位等的影響，當然幾何結構與接地面相對位置亦有相當程度之影響，在天線設計時，如何有效的調整期望之 場形以 期達到預期的天線效果仍是具有相當挑戰性的議題。
圖四、 888M Hz 之 2D 天線 輻射場形圖 E-Plane( 黑 ) 、 H-Plane( 紅 ) 與 3D 場形圖
圖五、 1.89G Hz 之 2D 天線 輻射場形圖 E-Plane( 黑 ) 、 H-Plane( 紅 ) 與 3D 場形圖 利用模擬結果更近一步分析高低頻的表面電流分布情形以確認不同頻率之電磁波主要激發的位置，從圖六可以觀察出高低 頻 兩者之異同處，無論是高頻或是低頻，天線右側之 路徑均為主要 之激發位置，修改此處之路徑長度有可能同時影響到高低頻之頻率變化，且該處附近如有金屬材質則容易影響其特性，而兩者之差異主要在於 饋入端 之位置附近之表面電流分佈，更改 饋入端 位置或是該區域之幾何外型，或許有機會調整低頻之結果而不至於大幅影響高頻之激發路徑。當然詳細之結論仍需近一步修改並比較結果方可確認。
圖六、 888M Hz 與 1.89G Hz 之表面電流分布圖 結論 本次模擬結果只簡單考慮天線與接地面之影響，並無考慮手機外殼及其他更細部的效應，一般來說，不同材質的外殼不但會影響中心頻率的偏移程度，對於場形的 變化也會有一定程度的影響，在實際模擬與驗證的過程中，手機外殼的效應也應加以考量，才能有效的模擬出與具代表性的結果。天線設計時所需要考量的因素眾多，小型化、多頻段以及 各種場形要求甚至不同材質的使用相信也會越來越多樣化與複雜，如何有效的運用模擬工具與實際量測搭配，相信對天線設計上絕對有相當程度的幫助。 參考資料 本文所使用之nokia3310天線模型純粹參考並應用於模擬軟體之計算結果比較，該天線與手機設計之專利與權利仍為相關公司所擁有，本文所得出之結果僅參考用，不具任何法律與規範之驗證。 如您對於本專題有任何疑問，歡迎來函或來電詢問，連絡方式：sean@flotrend.com.tw ﹐或電話：02-2726-6269 ext.30 徐浩翔先生。
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