大家好,这里是【射频学堂】。今天我们一起来学习一篇关于手机天线设计的论文,论文作者是Munyong Choi, Hyunho Wi, Byeonggwi Mun, Yonghyun Yoon, Hyunwoo Lee, and Byungje Lee,作者来自于BYD公司和韩国Kwangwoon University。

 

智能手机现在已经很普及了,上到80岁老人,下到几岁孩童,都可能用到智能手机。手机天线,作为手机接收和发射信号的元件,在手机中起着重要的作用,一款好的手机天线,更是相当重要。随着移动通信的发展,手机所要支持的频段会越来越多,尤其是5G时代。

 

我们看一下最新发布的小米11手机,到底需要支持多少个频段呢?从最初的2G到现在的5G都要支持,包括2G通信系统的GSM和CDMA,3G通信系统的WCDMA和CDMA EVDO,4G的FDD-LTE和TDD LTE,当然也必须支持5G,共计36个频段。当然这里面不同制式的频段是重合的,可能可以共用一款天线,从几百兆赫兹到几个吉赫兹详情请参考《5G频段大全》

 

 

这么多的发射接收频段,对天线的设计也增加了不少的难度,而且要在手掌大小的手机上实现,设计难度可想而知。今天我们透过这篇论文一起看一下,这么多的手机频段,天线到底是如何设计的?

 

这篇论文发表于2015年,当时还是4G的时代,因此论文所述天线主要是应用于4G手机,其所支持的频段也不像目前手机这么多,但是对我们读者了解学习手机天线,还是有一定的参考意义的。

 

 

 

论文的前言中,介绍了手机天线的设计要点,和设计难点:带宽宽,尤其对于低频频段,相对带宽超过了30%;频段多,从低频600MHz到高频2.7GHz,体积小,而且效率高。

 

接着引出了论文所提出的一款5频FIPA天线。这5个频段包括GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA。天线示意图如下图所示,该天线具有两个窄缝和接线引脚,该 PIFA 印刷在具有两个狭缝的天线支架上。外壳(环氧树脂 SLA 树脂 + 聚丙烯酸酯;= 3.13, )的尺寸为 126 × 66 × 8.9 mm 3。基板(FR-4; ,)具有7×62×1mm的整体尺寸3,和PCB接地平面具有的115×62×1mm的整体尺寸3,这是基于在商业智能手机的大小. 天线支架(环氧树脂 SLA 树脂 + 聚丙烯酸酯;,) 的体积为 62 × 8 × 5 mm3。

 

图2 给出了这款天线的仿真驻波示意图,文章中以VSWR<3作为设计参考,可以支持除了LTE频段外的GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA频段。通过结合 PIFA 模式和两个狭缝模式,实现了多波段操作和宽带宽。经验证,表面电流分布如图3所示。GSM850/900 频段由 PIFA 的基本谐振模式覆盖,如图3(a) 所示。DCS/PCS/WCDMA 频段与狭缝 1 和狭缝 2 的半波长狭缝谐振模式相结合,如图3(b)和3(c) 所示, 分别。

 

PIFA 的 3 次谐波谐振模式在 3 GHz 左右实现,如图3(d) 所示。图4以展开视图示出了每个谐振模式的电流路径,如图1(c)所示。所提出的五波段 PIFA 的每个谐振模式都是在每个谐振频率上独立实现的。图5显示了不同a、b和c长度的模拟,如图1(c) 所示。图5(a)和5(b)表明,通过改变a和b的长度,阻抗可以在 1800 MHz 和 1900 MHz 附近匹配,因此 DCS/PCS/WCDMA 频段很容易通过优化调整a和b的长度来实现。图5(c)显示了所提出的天线的谐振频率可以由c的长度控制。当c的长度增加时,较低和较高频带的谐振频率向下移动。

 

虽然提出的五频段 PIFA 在紧凑的体积内具有宽带宽和多频段操作,但并未涵盖低频 LTE 频段和高频 LTE 频段,如图2所示. 为了覆盖整个 LTE 频段,在低频 LTE 频段(699-862 MHz)需要额外的谐振模式,并且需要在 3026 MHz 的五频段 PIFA 的 3 次谐波谐振模式来移动高频LTE 频段(2496–2690 MHz)。在下一节中,通过嵌入接地引脚和两个 PIN 二极管,提出了与所提出的五频段 PIFA 相结合的频率可重构天线,以覆盖 3G 服务频段(GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 频段)和整个范围LTE 频段。

图3 给出了该天线的表面电流分布

 

接下来,神奇之笔来了,通过嵌入接地引脚和两个 PIN 二极管,提出了与所提出的五频段 PIFA 相结合的频率可重构天线,以覆盖 3G 服务频段(GSM850/ 900/ DCS/ PCS/ WCDMA  频段)和整个范围LTE 频段。

 

 

五频段 PIFA 是为 GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 频段设计的,3 次谐波谐振模式发生在 3 GHz 附近。为了额外覆盖低频 LTE 频段和高频 LTE 频段,建议的五频段 PIFA 首先修改为更长的c长度和一个额外的接地引脚,如图6所示。c的长度略微增加到 11.4 mm,而天线高度和支撑没有增加。如图5(c) 所示,五波段 PIFA 的谐振频率随着c的长度向下移动增加。在右上方增加了一个额外的接地引脚,因此修改后的五波段 PIFA 的谐振频率进一步向下移动,如图7所示。

 

然后,最终将两个PIN二极管(PIN二极管1和PIN二极管2)嵌入建议天线的左上侧和右上侧作为接地引脚,如图8(a)所示。图8(b)和8(c) 分别显示了没有/有外壳的建议天线的照片。图9显示了模拟的建议的天线与开关技术。对于状态 1(PIN 二极管 1:ON 状态,PIN 二极管 2:OFF 状态),建议的天线工作在低频 LTE 频段、DCS/PCS/WCDMA 频段和高频 LTE 频段。观察到,通过使用增加的c长度(11.4 mm)和右上方的额外接地引脚,一阶和三阶谐波谐振模式现在向下移动以分别覆盖低频 LTE 频段和高频 LTE 频段边。对于状态 2(PIN 二极管 1:OFF 状态,PIN 二极管 2:ON 状态),GSM850/900 频段由 PIFA 的谐振模式操作,其中接地引脚连接到右上方的 PIN 二极管 2。图10(a)和10(b)分别显示了拟议天线在低频 LTE 频段(状态 1)中的 780 MHz 和 GSM850/900 频段(状态 2)中的 920 MHz 处的模拟表面电流分布。

 

值得注意的是,建议的天线在每个状态(状态 1 或状态 2)下独立运行。图11(a)和11(b)还分别显示了拟议天线的模拟表面电流分布,包括低频 LTE 频段(状态 1)中的 780 MHz 和 GSM850/900 频段(状态 2)中的 920 MHz 的接地平面。观察到地平面上的表面电流强度远低于辐射体上的强度,因此所提出的天线的辐射效率不受用户手部效应的显着影响。通过在右上方增加一个接地引脚来增加电流路径的长度,并通过开关技术结合两种工作状态(状态 1 和状态 2),实现了低频段的宽阻抗带宽。所以,提议的天线可以有效地覆盖整个 LTE 频段范围以及现有的商业频段(GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA),同时符合严格限制的天线体积。

 

为了证明所提出的天线切换方案的有效性,所提出的具有两个 PIN 二极管和偏置网络的天线的设计如图所示12 . 使用纽扣电池将偏置电压设置为 3 V。在偏置网络中,R 1和R 2电阻用于控制偏置电流,C 1和C 2电容器用于隔直,和电容器用于旁路,L 1和L 2电感器用于射频扼流。偏置网络中每个组件的值如下:R 1 = R 2 = 300 Ω,C 1 = C 2 = 100 pF,= = 100 pF,并且L 1 = L 2 = 100 nH。在正向偏置状态下,PIN 二极管的串联电阻在 10 mA 时最大为 0.5 Ω。SKYWORKS 的 SMP1322-040LF 用于将由于 PIN 二极管的串联电阻引起的耗散功率损耗降至最低 [ 10 ]。

 

图13(a)显示了对建议天线的模拟和测量。模拟结果与实测结果吻合良好。图13(b)和13(c)显示分别针对低频段和高频段模拟和测量的总效率。对于所有工作频段,建议的天线总效率大于 40%。天线效率是根据 CTIA 3.3 [ 11 ]在 HOWLAND 的 OTA 室中测量的,这对于工业中的实际移动手机天线应用来说通常是可以接受的 [ 12 ]。图14(a)、14(b)、14(c)和14(d) 分别显示了在 800 MHz、920 MHz、1950 MHz 和 2600 MHz 下模拟和测量的辐射图。模拟和测量的结果吻合得很好。

 

 

这篇论文提出了一种紧凑的频率可重构多频段天线,以在 8 × 62 × 5 mm 3 (2.48 cc)的非常小的天线体积内覆盖大多数商业 3G/4G 移动应用。在有限的天线体积 (8 × 54.6 × 5 mm 3; 2.18 毫升)。然后,结合改进的五频段 PIFA,优化添加了两个 PIN 二极管和一个额外的接地引脚,并且建议的天线也可以覆盖整个 LTE 频段范围。对于状态 1,建议的天线覆盖低频 LTE 频段、DCS/PCS/WCDMA 频段和高频 LTE 频段。对于状态 2,它涵盖 GSM850/900 频段。对于所有工作频段,建议天线的总效率大于 40%。因此,本文提出的紧凑型频率可重构天线有望广泛用作手机天线。

 

随着手机所要支持的频段越来越多,手机天线也会越来越复杂。出去论文中所给出的用于通信的天线之外,手机天线还包括蓝牙天线,GPS天线,NFC天线等等。