無線通訊可在空間自由傳輸各種資料，因此最近幾年國外電子機器系統廠商，計畫在所有的可攜式電子產品，例如數位相機、液晶電視、個人數位助理(PDA)、電子紙、導航儀等，增加無線通訊傳輸功能。
無線通訊非常重視遠距離的傳輸與傳輸品質，不過無線通訊機器規範對無線傳輸距離與電介強度卻有非常嚴苛的規定。無法提高送訊端電波功率的無線通訊機器，若要延長無線通訊距離，提高天線的收訊感度與增益成為主要手段。這意味著天線的選擇與天線性能的提升，在無線通訊機器中扮演非常重要的角色。
影響通訊距離的要因
設計無線傳輸通訊系統時，傳輸距離一直是受到重視的項目之一。表1是無線通訊機的典型通訊距離範例，其實無線通訊機使用的頻率、送訊輸出、天線結構都會影響通訊距離。
圖1是無線通訊路徑的模型，如圖1所示與通訊距離範有關的要因非常多，例如：
尤其是圖1的
～
四大要素不斷變動，例如：
與
的天線周圍環境，它是指天線周圍是否有雨、雪、粉塵、金屬等附著物，是否附著其他妨害天線感度的雜物。
此外，
代表傳送路徑的狀況，是指傳送路徑是否有天線、電磁波吸收物質，或是下雨、下雪、風暴等環境干擾；
是周圍雜訊與妨礙波，它會使收訊感度大幅降低。
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| 圖1 無線通訊路徑的模型 |
以系統設計角度而言，一般認為除以上要素外，為了要決定條件必須事先計算、評估這些要素對無線通訊性能有多大的影響，然而實際上以上所有要素沒有一項是一定值，而且每個要素對損失的影響都非常大，幾乎所有情況都無法正確計算實際無線通訊機的通訊距離。理論上自由空間的電波傳輸損失L(dB)利用下式計算：
不過實際上傳輸損失卻是與來自大地的反射波結合的結果。除此之外還有各種傳輸損失要素，根本無法作如此單純計算，因此設計無線通訊機時，通常只能將此計算值視為概略值，依此推測它的變化動向。送訊機的輸出有三種規定，分別是：
前兩項可以利用式(1)計算傳輸損失L。以圖1為例，計算圖中的P
RX可以求得自由空間的收訊功率，至於電介強度的場合則留在後面討論。
根據技術資料的記載，2.4GHz藍牙Class2(2.5W)，傳輸距離為10公尺，此時自由空間的傳輸損失計算如下：
傳輸損失大約是50dB左右。接著試算圖1傳輸損失0dB，送收訊天線的增益0dBi時的收訊功率收訊，由於2.4mW的送訊功率為+4dBm，因此：
根據計算結果訊號強度高達-46dBm，比實際藍牙機器收訊感度大數十dB。雖然藍牙的技術資料記載藍牙Class2的通訊距離為10公尺，不過下列情況即使訊號強度變成數十dB，仍舊擁有令人放心的裕度，這些情況包括：
換句話說，實際影響通訊距離只剩下：天線的指向性、天線的增益、傳輸損失等三個要因。至於無線通訊機的感度，長久以來皆是收訊功率>收訊感度>雜訊；三者最佳狀態的比例，一直被視為決定收訊品質的不二法則。然而，實際上訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)和位元錯誤率(Bit Error Ratio, BER)，同樣也會影響最低收訊品質。
改善通訊距離
提高通訊距離首先必須改善傳輸路徑中影響損失與感度的要素。接著依序介紹必須改善的項目。
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其他條件相同時，提高送訊輸出與送訊天線的增益，絕對可以延長通訊距離。不過隨著無線機器的種類不同，規定內容也截然不同，例如微功率無線機的場合，通常只記載電介強度資料，低功率無線機的場合，記載內容就非常繁雜，某些情況甚至規定天線的指向性，不過最重要還是設計者本身，必須明確掌握設計的各種條件。 |
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提高送訊端天線的增益，對延長通訊距離非常有效，提高收訊端天線的增益，同樣可延長通訊距離。 |
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如果已經明確掌握噪訊電波的發生位置，就必須採取對策或是使噪訊電波發生源遠離高頻電路，例如發現電腦的數位電路時脈訊號會產生噪訊，或是確定液晶顯示器的背光照明模組內部冷陰極燈管會產生噪訊時，設計上這些噪訊發生源都必須遠離高頻電路部位，或是進行防噪訊遮蔽對策。設定無線通訊機設置場所時，同樣必須遠離馬達、電源等電源電路，同時實施噪訊對策才能改善通訊距離。 |
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即使有噪訊與干擾波，使用高指向性收訊天線，同樣可以有效降低噪訊與干擾波，不過這種對策並不適合非固定式收訊天線。此外，設置這種無線通訊機時，天線必須對準通訊對方高感度方向接收訊號。 |
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必須維持無線通訊周圍空間的暢通性，避免影響天線的傳輸，尤其是戶外天線一旦附著冰、雪、粉塵，很容發生送收訊感度降低等問題。此外，無線通訊機必須盡量遠離會使電波反射的牆壁，同時注意來自地面的反射電波。 |
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尤其是通訊路徑上障礙物的減少非常重要，因此送收訊天線通常設置在高處位置。 |
選擇適當天線
天線形式與特性形形色色，一般而言高增益與高指向性天線，通常外形尺寸都比較大，因此業者已經開發許多縮小天線或是天線小型化的技術。接著要介紹可提高小型無線通訊機指向性與增益特性的方法。
小型無線通訊機器常用天線
圖2～圖6是小型無線通訊機常用的天線範例，基於以下理由，小型無線通訊機經常使用不具指向性與增益特性的天線，這些理由分別是：
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小型無線通訊機本身外形體積很小，在此前提下，不得已使用可以收容在機器內部的小型天線，不過天線小型化卻造成傳輸效率與增益大幅降低等困擾。 |
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小型無線通訊機大多要求提高品質、降低成本，其中也包含天線在內。 |
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移動式小型無線通訊機器，大多無法固定天線的送收訊方位，因此要求無指向性的天線。 |
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不論收訊機或是送訊機都必須在規定範圍內抑制增益與輻射強度，例如400MHz特定小功率無線通訊機，規定非更換式天線，增益低於2.14dBi，在此前提下只有四分之一波長的單極天線(Monopoly Antenna)符合規定。弱功率無線機器甚至規定距離天線3公尺時的電介強度。
雖然外置天線可以提高無線通訊機的通訊距離，不過天線成本會增加，連接器的選擇變得非常困難，而且防水性與抗環境特性都會受到影響，嚴重時甚至有降低之虞。
天線尺寸變大無線通訊機的外觀設計自由度也受到大幅限制，各種條件相對變差，某些情況外置天線反而不受青睞。 |
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| 圖2 平衡天線範例1：耦極天線 |
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| 圖3 平衡天線範例2：套筒天線 |
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| 圖4 不平衡天線範例1：單極天線 |
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| 圖5 不平衡天線範例2：L形天線 |
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| 圖6 不平衡天線範例3：倒立F形天線 |
權衡天線性能與成本
對無線通訊機而言，天線是決定通訊距離等性能的重要元件，依照使用目的要求提高通訊距離與性能時，勢必花費相當的成本，因此選擇天線時有以下四種簡易方法可供參考：
天線的設置環境與周圍條件都很好的情況，前兩種設計方式確實可以發揮預期性能；後兩種設計方式，天線本身的製作成本確實很低，不過這種方式要求設計者具備充分的天線知識，才能夠自行設計天線。
不要求通訊距離的場合，只要天線長度配合使用頻率，就可輕易獲得低成本的天線，尤其是二分之一波長耦極天線(Dipole Antenna)與四分之一單極天線(Monopoly Antenna)，只要天線長度配合使用頻率，基本上都可獲得相當程度的收訊效果。
圖5主機板上的天線圖案是由線材與金屬構成，雖然它的製作成本很低，不過要求機板上的天線圖案充分發揮性能時，天線的設計費用與調整時間經常超過預期，特別是設計增益與指向性都能夠取得整合的高性能天線非常困難，這種情況委託天線專業廠商比較有利。
天線增益與指向性影響甚鉅
到目前為止文章中曾經出現許多次增益(Gain)與指向性專業術語，接著要詳細介紹這兩個專業術語的具體內容。
如圖7與圖8所示，二分之一波長耦極天線與四分之一單極天線(Monopoly Antenna)同時具備指向性，以及與要素(Element)平行的偏波面，此時指向性則變成無感度方向，如果偏波面也偏離的話，理論上感度會急劇下降。
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| 圖7 二分之一波長耦極天線的指向性與等化 |
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| 圖8 四分之一波長單極天線的指向性與增益 |
此處將360°全方向均勻放射，理論上存在的等方性天線(Isotopic Antenna)當作基準時，二分之一波長耦極天線與四分之一波長單極天線，最大輻射方向會有2.14dB的增益，若以絕對增益表示就變成2.14dBi，字尾的i是Isotopic的簡寫，某些情況會以二分之一波長耦極天線表示增益，此時表示單位就變成0dBd或是0dB。
天線屬於被動元件無法增幅訊號，超過0dBi表示：若與指向性與等方性天線比較，感度只對部分方向上升的現象，就是所謂的指向性增益。
輻射效率很低時，絕對增益也會隨著降低，例如二分之一波長耦極天線的長度如果沒有配合二分之一波長，通常電波輻射效率都非常差，絕對增益也會隨著大幅降低。
小型化天線不論有無指向性，它的波輻射效率與絕對增益同樣都很差。例如圖2～6的天線，微功率送訊機用低輻射效率天線除外，形狀與大地面(Ground)造成指向性與增益變差的天線，幾乎都不具敏銳的指向性。
雖然小型天線有這些負面缺點，不過小型天線卻具備感度變成0的空泛點(Null)與偏波面，因此小型天線並不是完全的等方向輻射天線，實際使用小型天線反而容易受到下列影響：
因此增益與指向性通常比照圖2～圖6的天線特性即可，主要原因是不堅持增益與指向性，增加傳輸損失的裕度，使用上反而比較方便。
符合電介強度規定的送訊強度
圖9是不須使用執照的微功率送訊機，距離天線3公尺時的電介強度的規定。此處試算送訊機的輸出的功率。
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| 圖9 低功率無線規定3公尺時的電介強度 |
等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP)與距離、電介強度的關係式為：
接著根據式(2)與圖9微功率送訊機電介強度的規定值，逆向計算圖1點B送訊端的輻射電力，其結果分別如下：
這相當於使用等方性送訊天線(增益0dBi)的送訊機輸出。
送訊機輸出這樣強大的輻射電力時，天線若有增益，就會超過微功率送訊機電介強度的規定值，此時必須調整送訊機的輸出，利用指向性的最大輻射方向，將電介強度抑制在規定值範圍。
由此可知微功率送訊機使用可以輕易使電波全方輻射的天線比較有利，然而實際上根本無法製作無指向性天線，因此微功率送訊機不得已只能選擇低指向性小型天線。
對電子工程師而言，製作輸出低於－40dBm(100mW)以下振盪器非常困難，尤其是想要降低微功率無線送訊機的輸出時，經常會覺得非常棘手不知所措。
如圖1所示降低點B天線的輸出，滿足電介強度的規定值有兩種方法(圖10)，分別是：抑制送訊機的輸出與微功率無線送訊機的天線低效率化。
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| 圖10 為滿足低功率無線的規定，降低送訊輸出的方法。 |
抑制送訊機的輸出具體方法是在送訊機(振盪器)的輸出與天線之間插入衰減器，不過微功率無線通訊機本身就是微電力元件，必須考慮與天線的整合問題，此時可以插入一個串聯或是並聯電阻器當作衰減器使用。
至於微功率無線送訊機的天線低效率化，則可利用耦極天線與鞭狀天線(Whip Antenna)等短電介型天線，或改用小共振的環形天線(Loop Antenna)。使用耦極天線與鞭狀天線可使共振點比一般二分之一波長的共振點更短；犧牲不整合損失與效率、降低降低輻射強度、縮短天線的場合，會在高頻的某一點會出現共振點，該共振點可以改善高頻多餘電波(Suurious)的條件與效率，不過微功率無線送訊機的動作頻率超過如果322MHz，電介強度的規定非常嚴苛，此時必須特別注意高頻多餘電波的處理。
而當改用小共振的環形天線時，如圖11所示環形天線可以降低十分之一波長以下的輻射效率，使環形的頻率與要求頻率同調，雖然同調電路的頻寬非常狹窄，不過卻能夠抑制高頻多餘電波，且使用上非常有利、方便。低效率天線對天線低成本非常有利，小型天線對無線通訊機的小型化非常有利，這也是小型無線通訊機經常使用小型天線主要理由。
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| 圖11 低功率環形天線 |
降低輻射效率、插入衰減器，或是透過周圍條件的變化，都可以緩和對振盪器的影響，其結果使得無緩衝的振盪器構成的送訊機也可以穩定動作，進而達成抑制成本的設計目標，因此小型天線非常適合微功率無線送訊機使用。
電介強度與收訊功率的關係
假設0dBi天線收訊的功率(電力)為PR(W)，收訊功率利用下式與電介強度求得：
本文曾數次提到「微功率無線通訊機的電介強度有明確規定」，圖12是利用公式(3)與電介強度的規定值，計算低功率無線的收訊機收受電力值的結果。
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| 圖12 低功率無線的收訊機收受的電力參考值 |
例如300MHz微功率無線通訊機，使用增益為2.14dBi耦極天線收訊時，圖1的點C的收訊功率為：
－72.8dBm+2.1dBm=－70.7dBm=85pW
根據距離天線3公尺時的電介強度規定，不能強化送訊端電波功率的微功率無線通訊機，若要延長無線通訊距離，必須改善天線的收訊感度與增益，由此可知天線特性在無線通訊機中所扮演重要的角色有多重要。