葉敏杰,張玉龍,吳次南,劉澤文*

(1.貴州大學大數據與信息工程學院,貴陽 550025;2.清華大學微電子學研究所,北京 100084)

隨著智能手機所支持的頻段的持續(xù)增加,引發(fā)內部射頻天線數量過多與尺寸過大問題,如何減少天線數量與尺寸并提高信號接收性能與帶寬是無線通信領域所面臨的問題,采用可調諧天線技術是重要的解決方案。

采用可調諧天線技術可以減少天線數量和尺寸,最大限度地提高射頻性能,實現更好的信號強度、更快的數據速率和更長的電池壽命?？烧{諧天線可以提高手機天線增益,由于信號增強,基站會在連接時給予手機優(yōu)先權,這意味著手機可以獲得更快速的連接以及更好的通信質量。

現有的可調諧天線主要有兩種構成方式:可調諧阻抗匹配TIM(Tunable Impedance Matching)和天線孔徑調諧AAT(Antenna Aperture Tuning)[1]。使用TIM或AAT方法的可調諧天線,由于其在所需回波損耗條件下獲得的帶寬非常有限,導致單根天線難以覆蓋2G/3G/4G移動通信頻段。例如,在采用TIM或者AAT方法的單根可調諧天線文獻[2-7]中,其報道的帶寬相對較窄,可調諧單頻天線的最大帶寬為460 MHz[4],可調諧雙頻天線的最大合計帶寬僅為400 MHz[7]。采用AAT或TIM方法的可調諧天線,已經有報道能應用于2G移動通信[8]和2G/3G移動通信[4];另有報道能應用于2G/3G/4G移動通信,但是其用到2根發(fā)射天線和4根接收天線[9]。

目前,中國三大電信運營商使用的2G/3G/4G移動通信頻段包含于較低頻段的825 MHz～960 MHz和較高頻段的1 710 MHz～2 655 MHz,如表1所示?，F有的單根不可調諧天線無法在所需回波損耗條件下完全覆蓋2G/3G/4G移動通信頻段,為了能覆蓋這么寬的頻率范圍往往需要多根手機內置天線協(xié)調工作,或者設計為單根多頻段天線,然而單根多頻段天線經常會在其中某些頻段產生較為嚴重的阻抗失配,從而導致天線在這些頻段的射頻性能較差[10]。

表1 我國2G/3G/4G移動通信頻段

未來的5G手機除了能進行5G移動通信外,還需要向下兼容2G/3G/4G移動通信。然而,現在的4G手機已經將手機空間進行最優(yōu)化分配,如果按照目前4G手機的設計模式,勢必難以騰出多余的空間放置5G移動通信天線。目前的手機,數字電路部分很難再壓縮,而由天線等構成的模擬電路部分還有較大的壓縮空間。本設計的目標是利用單根天線實現2G/3G/4G移動通信,減少現有移動通信天線的數量和整體尺寸,從而為5G移動通信天線騰出空間。

在移動通信系統(tǒng)中,一般要求回波損耗大于14 dB(|S11|>14 dB),相對應的電壓駐波比小于1.5(VSWR<1.5)。本文提出了一種全新的采用可調電感和電容TIC(Tunable Inductor and Capacitor)方法的可調諧雙頻PIFA天線,能在回波損耗大于14 dB下獲得非常寬的帶寬。在下文中我們首先給出不可調諧雙頻PIFA天線的結構設計和原理,然后在此基礎上加入TIC電路,構成可調諧雙頻PIFA天線。該可調諧天線設計了兩個可調諧位置:在輻射單元與接地平面之間并聯一個可調電容C1;在輻射單元和同軸饋線之間串聯一個可調電容C2和并聯一個可調電感L構成可調LC匹配電路。采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線,能在改變天線諧振頻率的同時調節(jié)天線與饋線的阻抗匹配,使得天線能在所需回波損耗條件下獲得更寬的通信帶寬。最后,借助有限元軟件給出了不可調諧雙頻PIFA天線和采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的仿真結果。仿真結果表明,采用TIC方法的可調諧PIFA天線在|S11|>14 dB下的兩個頻率范圍可以完全覆蓋我國的2G/3G/4G移動通信所需頻率。

1 結構設計與原理

1.1 不可調諧雙頻PIFA天線

本設計中,雙頻PIFA天線的低頻段工作于GSM 900頻段,GSM 900頻段的信號上行頻率范圍為880 MHz～915 MHz,下行頻率范圍為925 MHz～960 MHz,為此設計天線的諧振頻率為920 MHz,回波損耗大于14 dB的帶寬要大于80 MHz。

對于PIFA天線,諧振頻率的近似計算公式為

(1)

式中:f0為諧振頻率;c是真空中的光速;L1和W1分別為輻射單元的長度和寬度;H和Ws分別為短路金屬片的高度和寬度。

當f0=920 MHz時,由式(1)解得L1+W1+H-Ws=81.5 mm。

圖1 不可調諧雙頻PIFA天線的三維結構模型圖

圖1展示了不可調諧雙頻PIFA天線的三維結構模型圖,整個天線結構主要分為輻射單元、接地平面、短路金屬片、同軸饋線和介質材料5個部分。輻射單元、接地平面、短路金屬片的材質均為金屬銅。輻射單元位于最上方,根據式(1)計算結果,并通過HFSS仿真優(yōu)化,輻射單元的長度L1和寬度W1最終分別取54 mm和32 mm。接地平面位于最下方,其長度LG和寬度WG分別取120 mm和50 mm。輻射單元到接地平面之間填充的介質材料采用相對介電常數為1.06的Rohacell射頻泡沫,高度H為10 mm。短路金屬片的寬度WS取6 mm。

1.2 采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線

圖2展示了采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的結構示意圖,其包括第1級可調諧電路、PIFA天線和第2級可調諧電路。第1級可調諧電路由一個電容值范圍為0.1 pF～2.0 pF的可調電容C1組成。第2級可調諧電路是由一個電容值范圍為12.0 pF～20.0 pF的可調電容C2和一個電感值范圍為4.6 nH～15.8 nH的可調電感L構成的可調LC匹配電路,該可調LC匹配電路位于饋電點和PIFA輻射單元之間。

圖2 采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的結構示意圖

可以采用微機電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)可調電容和電感實現本設計。MEMS可調電容封裝后的尺寸一般在幾個平方毫米以內,例如Cavendish-Kinetics公司生產了一款芯片尺寸為2 mm2的MEMS數字可調電容[11]。同時,WiSpry公司也有系列MEMS可調電容產品[12]。MEMS可調電感可以采用多種調節(jié)方式來實現[13-14],為本設計提供良好的技術保障。

第1級可調諧電路用于調節(jié)天線的電長度,從而調節(jié)天線的諧振頻率。第2級可調諧電路用于調節(jié)天線與饋線的阻抗匹配,當輸入阻抗點偏離史密斯圓圖(Smith chart)的中心時,它可以通過阻抗匹配網絡移動到史密斯圓圖的中心。

圖3 史密斯圓圖調節(jié)阻抗匹配的原理圖

史密斯圓圖調節(jié)阻抗匹配的原理如圖3所示,當輸入阻抗點1偏離史密斯圓圖中心點3(50 Ω標準阻抗的中心點)時,可以先將點1先沿著史密斯圓圖的等電阻線向下移動(等效為串聯一個電容器)到點2,再將點2沿著史密斯圓圖的等電導圓向上移動(等效為并聯一個電感器)到點3處。

可調電容C2和可調電感L的值由史密斯圓圖工具計算得出,本設計中C1、C2和L三者的關系如表2所示。

表2 C1、C2和L三者關系

從表2中可以看出,從TIC1到TIC20:可調電容C1的值從0.1 pF均勻地增加到2.0 pF;可調電容C2的值介于12.0 pF和20.0 pF之間,其中大部分數值處于18.2 pF～20.0 pF;可調電感L的值從15.8 nH變化到4.6 nH,呈現逐漸遞減的趨勢。

圖4 采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的三維結構模型圖

采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線,其三維結構模型如圖4所示,輻射單元、接地平面、短路金屬片、同軸饋線和介質材料的設計與不可調諧雙頻PIFA天線一樣,不同之處在于:輻射單元并聯了一個可調電容C1;在輻射單元與同軸饋線之間串聯了一個可調電容C2和并聯了一個可調電感L。

2 仿真結果

仿真結果由美國ANSYS公司開發(fā)的三維電磁仿真軟件HFSS得出,該軟件采用有限元法,計算結果準確可靠。

2.1 不可調諧雙頻PIFA天線

圖5展示了不可調諧雙頻PIFA天線的仿真S11參數。

圖5 不可調諧雙頻PIFA天線的仿真S11

從圖5的仿真結果可知,不可調雙頻PIFA天線的諧振頻率為920 MHz和2 780 MHz。這兩個諧振頻率所對應的S11參數分別為-24.66 dB和-9.56 dB。

長度為54 mm和寬度為32 mm的輻射單元能產生低頻諧振頻率為920 MHz和高頻諧振頻率為 2 780 MHz的效果,原因在于利用了天線不同的工作模式,即λ/4諧振模式和3λ/4諧振模式,從而產生了3倍關系的雙諧振頻率。然而,由于較高頻段阻抗失配較為嚴重,導致較高頻段整體的回波損耗數值明顯低于較低頻段。

從圖5中可以看出,在回波損耗大于14 dB下的天線頻率范圍為880 MHz～970 MHz,其帶寬為90 MHz,滿足設計要求。

圖6 采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的仿真S11

2.2 采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線

采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的仿真S11參數結果,如圖6所示。state0表示PIFA天線的不可調諧狀態(tài)。TIC1到TIC20表示的含義如表2所示,為了使結果圖看得更清楚,圖6中只列出12條TIC曲線,同時在圖6中標出從TIC1到TIC20變化的路徑。

在較高頻段下,相比不可調諧雙頻PIFA天線,采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線的在不同諧振頻率下的|S11|值均得到顯著提高。不可調諧雙頻PIFA天線在較高頻段下的S11參數值僅為-9.56 dB;而TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線在較高頻段下的S11參數介于-15 dB和-30 dB之間,其中絕大部分的S11小于-20 dB。說明采用TIC方法使得PIFA天線在較高頻段獲得了更好的阻抗匹配效果。

從圖6中可以看出,在回波損耗大于14 dB下,天線頻率范圍為較低頻段的700 MHz～970 MHz和較高頻段的1 690 MHz～2 710 MHz。其帶寬分別為270 MHz 和1 020 MHz,合計帶寬1 290 MHz。相比不可調諧雙頻PIFA天線的90 MHz帶寬,采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線獲得的合計帶寬是其14倍。

3 結論

本文介紹了一種新穎的采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線。該可調諧天線的兩個工作頻率范圍分別為700 MHz～970 MHz和1 690 MHz～2 710 MHz,可以完全覆蓋中國2G/3G/4G移動通信頻段。采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線,可以有效提高PIFA天線的匹配特性,單根天線即可覆蓋2G/3G/4G頻譜,有助于減少現有移動通信天線的數量和整體尺寸,從而留足空間放置5G移動通信天線和其他功能部件。從本研究的結果看,可調電容和可調電感將會在可調諧天線中發(fā)揮重要作用,未來的工作重點將是開展采用TIC方法的可調諧雙頻PIFA天線實現研究。