摘要：

随着对电脑和移动设备持续而迅速的应用增长，人们对其周边产品以及无线连接系统的需求也在随之扩大。我们在许多领域中都可以看到无线应用设备的发展壮大，例如安全报警系统、远程遥控、手持式个人计算机数据通信以及电话语音系统。而另一个能体现该发展势头的领域便是短程医学遥测。植入式心脏起搏器、电击器以及其它医疗电子设备都需要运用无线通讯为其监控和控制系统进行服务，并且同时提供实时数据。

在这些应用设备中，大部分都是在许可免费超高频ISM 波段400、433、 868 和 915 MHz下执行操作的。由于许多应用设备的体积很小，射频性能中天线的设计就成为了一个制约因素。

这篇文章将就应对挑战、创造能够覆盖广泛超高频频率波段的天线系统来进行论述。同时，我们还将探索如何应对携新型介质材料而来的挑战以及对可调匹配电路的应用。 

为超高频频率设计的微型天线系统

超高频频率处于微波频率以上与甚高频以下之间的段位上。这一特殊的位置就决定了其拥有足够短的典型超高频率范围波长，从而可以进行介质加载。同时足够低的频率还可以在低于自身共振频率的条件下运用电抗原件来进行有效补偿。

在这篇文章里我们将为您展示天线系统，并利用其优势来提供适用于超高频频段的微型天线系统。因此在这里，我们要为您呈现的创新天线解决方案。它通过利用介质加载和无功补偿就可以提供能够在超高频400 - 915 MHz条件下接收/转换电磁波的微型天线系统。

从以上的简短介绍中我们可知这篇文章所展示的天线系统包含了两部分：通过介质加载微型化的天线原件和调谐电路。

利用介质加载实现天线微型化

介质加载技术可用于减小天线的尺寸。该技术旨在通过降低光速来缩短波长，其原理依据以下公式(1)而来：

基于以上介绍，提供微型天线的一种方式便是通过使用LTCC低温共烧陶瓷，其拥有≈3.5和ε≈8 (比特纳等)[1] 。运用这些数值，基于LTCC的天线可以实现迷你≈5.3。

陶瓷介质成分特性

很明显，想要进一步使天线微型化，我们就需要高介电常数以和损耗的介质材料。现在我们便拥有了这样的陶瓷材料，接下来就将为您展示它的主要性能。威世技术的陶瓷公式[2] 使我们具备了按照期望性质制造芯片天线的能力。全新专利辩证法材料呈现了对性能的独特组合：高介电常数介质配合低损耗[2] - 该组合对于实现天线的高增益和低损耗是至关重要的。这种新开发的材质常数值为ε≈400和µ ~ 1[3]。

新型介质在现有技术的基础上提供了大量可用因数，为今后微型芯片的开发开辟了道路。根据公式1，该结构能够依据因数20 ()减小天线的尺寸。其减少的尺寸数值比运用LTCC材料减少的5.3还要多出许多。

该剂型还通过了RoHS无铅认证，从而保证天线系统在-40 ⁰C 到85 ⁰C的温度范围内拥有卓越的稳定性。

在此，我们所展示的另一陶瓷技术性能便是能够运用不同陶瓷芯片尺寸的能力。陶瓷芯片天线的实例可见表1。该实例基于两个主要的陶瓷天线芯片尺寸：3505 (长35 mm，宽5mm)和6040 (长15 mm，宽10mm). 其它型号还在开发中。所有实例的厚度均为1.2mm。

调谐电路

作为抗阻匹配网络，天线调谐功能可与天线最大功率传输的阻抗相匹配。利用调谐电路可以在超高频频段将天线调至固定的中心频率。在期望的频率频段内，抗阻的虚部可为正(如电容式)也可为负(如电感式)。我们也可以通过添加一个或多个被动电抗原件使虚部无效。一旦虚部无效则剩下的只有被调制为50 Ohm的实部了。因此，天线也要在期望频率下被调至50 Ohm。

需要着重注意的是，运用并联无功元素，我们可以将天线调至无论实部还是虚部的任意期望阻抗。

使用调谐电路，天线可以被调至任意设定点从而创造频段相对狭窄或单一频率的天线。

表1给出了与设定陶瓷芯片相匹配的调谐电路。不同数值的电流容量、电感系数和电路设计均被分配至具体应用上。该表还列出了给定频率和尺寸芯片天线的调谐原件。

辐射图示例

如上例显示，陶瓷芯片和调谐电路共同构建了天线系统。通过集成这些配件我们就可以造就一个平台，在该平台上我们可以以单一频率测定天线的性能。这样的组合型配置就称为天线评估套件(EVK)。

在下面的表2中我们为您展示了威世EVK陶瓷芯片天线的辐射图。以下所示辐射图的原件数据表可参见相关网页链接。如需了解更多信息，请点击图片或者访问该表下列出的网站1。

[1]另有改进增强版天线4010(长 40mm、宽 10 mm、 厚1.2mm)原型版可供选择。

[2]另有小封装、原型版、高效益的天线可供选择，尺寸为8 mm（长）x 5 mm（宽）x 1.2 mm（厚）。

以评估套件(EVK)为设计工具

为了将电路设计的推荐性布局提供给设计师并展示芯片天线的性能，我们使用了评估套件(EVK)。EVK包含了一个架于40 mm x 90 mm印刷电路板之上的芯片天线，它还具有一个3.5 mm的 SMA启动连接器用来传输或接收信号。该SMA连接器也使与设计师电路系统的连接变得简单易行。

图1所示的是35 x 5 mm的芯片天线在868MHz条件下的性能状况以及构建特定EVK的匹配调谐电路。

由以上数据我们可以看出，阻抗匹配为50Ohm 时可达最高增益1dBi。

我们还可以通过EVK来测试开放场辐射发射情况。开放场辐射发射测试呈现了芯片天线的全方位辐射图。

结语

威世提供的可调表面贴装陶瓷芯片天线可覆盖的超高频频段范围值为400 MHz – 915 MHz。该芯片天线可用于工业、科学、医疗/短距装置(ISM/SRD)无线电频段的一些应用上，如医学生物遥测接收器(400 MHz – 433 MHz)、868 MHz – 915MHz的工业RFID应用、无线安全系统、传感器和遥控器等等。这些低调的陶瓷天线尺寸规格都十分小巧，当遇到工具体积微小或印刷电路板(PCB)使用区域有限的情况时，此类问题也可以迎刃而解。我们对L-C调谐原件的得当选择就使威世所有的天线产品都能够在400 MHz 到1.1 GHz的波频范围内被调制到任一区域频率上。天线小巧的规格可与小型设备完美结合，如RFID传感器、车库门遥控开关、遥控器、无线话筒和耳机等。我们利用标准设备装配方法将芯片天线装置到PCB上。此外，通过少量的离散电容器和感应器组件就可以轻松实现单频调谐。

结论:

1.新的高介电常数和低损耗介电陶瓷材料构成产品可以减小天线的尺寸并且呈现出高增益。天线尺寸的减少在如868MHz和915MHz这样的高超高频波段上具有重要意义。

2.通过使用匹配电路，新型的芯片天线可在超高频波段上被调至特定频率。

未来的工作:

1. 为了实现IHF波段上的高位端频，如868 和915 MHz，威世在开发更小的芯片天线(长8mm宽5mm)。它可以使RF设计师们节省有价值的空间，同时也维持高水平的性能。

2. 威世还在致力于为一些应用开发产品4010(长40mm, 宽 10mm)，它可以为一些在如400 MHz这样的超高频低段位上运行的应用提供解决方案，比如医疗基础设施。新开发的芯片天线目标峰值效益将优于-5dBi。

参考文献:

1.  A. Bittner, H. Seidel, R. Kautenburger, A. Roosen, U. Schmid; 燃烧LTCC基板的Porosification行为调查；第五次会议以及陶瓷互联和陶瓷微技术展览(CICMT)，丹佛，2009年4月20日-23日；pp. 238-244

2. WO2008250262 (A1), US2008303720 (A1), US2008305750 (A1), WO2008154173 (A1), US 8,126,410 (B2)”.

3. A. Thakur, A. Chevalier, J.-L. Mattei, and P. Queffélec,高级会员；在超高频范围下渗透率和介电常数恒定的低耗磁性电介质尖晶石铁陶瓷