小型移動終端天線設計

何凌云

0 引言

隨著移動通信的發展，移動終端也越來越趨于小型化，天線作為終端的重要組成部分也得到的很大的發展。這里討論的終端是指手機、數據卡、掌上電腦等小型無線數據終端。在移動通信的早期，小型便攜設備的天線普遍采用簡單的四分之一波長單極子，但隨著 3G通信的應用及人們對產品性能、外觀的更高追求，多頻段（GSM、CDMA、DCS、PCS、 WCDMA等）、小型化和低剖面的天線受到最多的重視。

目前使用的移動終端天線按外觀可分為外置天線和內置天線；按天線型式又可分為單極子、對稱振子、法向螺旋、倒L、倒F、平面倒L、平面倒F等。以下研究了相關的天線型式，可以通過這里了解小型移動終端天線的發展情況及設計技巧。

1 天線分析及設計

單極子天線是最早使用的外置終端天線[1]，后來出現的容性或感性加載天線（等效增加了高度h）、折疊振子天線、法向螺旋天線、套筒單極天線、倒L天線等都是在其基礎上變化而來，雖然外型相差很大，但他們都具有相似的方向性（垂直極化、水平全向輻射）。

圖1 各類單極子天線

為了減小單極天線的長度，縮小天線尺寸，桿狀天線被做成周期性彎折結構，典型的形狀包括螺旋狀或反復折疊狀（如圖2所示）。前者為法向模螺旋天線， D /λ ≤ 0 .18，由于D很小，一圈內電流幾乎不變，水平向電場輻射抵消，Eφ遠小于Eθ，在遠處表現為垂直極化。

圖2 周期彎折單極子天線

螺旋繞線細時rR（阻抗）很小，rR隨螺距P、直徑D及線粗變化明顯。

隨著各種通信體制的發展，對天線的要求越來越高，天線必須適應多種通信頻段，這種情況下雙頻天線受到重視。圖3給出了幾種不同的外置雙頻天線[2]，第 1種通過改變螺旋的螺距（螺旋分疏密兩段，對低頻來說上端密繞相當于電感加載，高頻在疏密分界點就會反射回來，調節密繞段圈數可以改變低頻的頻率而不影響高頻）；第2種方法使用一根直桿插在法向螺旋的正中間，產生高頻的諧振，而線圈產生低頻的諧振；后兩種利用分支和反復折疊技術來實現雙頻諧振。

圖3 外置雙頻天線

外置天線雖然可以采取很多方式來減少高度，但是在設計諧振頻率時，它的高度還是大于最低頻率的5%，對于目前最常用的頻率800 MHz而言，外置天線還是太高。而在很多移動終端上，為了滿足產品外觀的要求，需要將天線設計在設備內部，留給天線的空間高一般不會超過10 mm，此時就需要采用剖面更低的內置天線。

典型的內置天線為平面倒 F天線[3-4]（PIFA），最普遍的認為它是由微帶天線演變而來，為了獲得低的方向性，人們將微帶天線的寬度逐漸減小，經過改進最后形成如圖4所示的PIFA天線。

圖4 PIFA天線

此時相當于在倒L天線后加載了一個小量級的L'C'回路，同時相對于 L'而言 C'量級更小，可以將短路PIN腳后面的開路分支去掉，這里可以認為只存在感抗。由于 L'的引入（并聯電感），使得天線的諧振頻率降低。而IFA天線其實就是地平面減小以后的 PIFA天線。饋電源到開口端理論的長度為λ 4 ，但由于開口端的容性和短路端 L'的存在，當長度在0.8×λ4時，天線的行波系數已相當高，因此得出最價尺寸公式：

IFA和PIFA天線去掉短路PIN腳即得到倒L天線及平面倒L天線，統稱為倒L天線。

在內置雙頻天線設計中，考慮了兩種主要的設計理念，一種是使用兩條不同的激勵路徑來產生不同的諧振頻率（如圖 5(a)所示），另一種理念是只用一條激勵路徑來產生雙頻諧振[5-7]。前者設計中，在輻射片中分離出一個較短的枝節，產生不同諧振路徑，獲取不同諧振頻率，達到設計目的；后者的設計里，為了產生雙頻諧振（如圖5(b)、圖5(c)、圖 5(d)所示），或利用倍頻、或開幾條不同的槽來使整條微帶片彎曲，達到加長諧振路徑目的、或使用同條型螺旋式彎折、或利用縫隙諧振等。

圖5 內置雙頻天線

為了能高頻段獲得更寬的頻帶（如GSM、CDMA、DCS、WCDMA、WLAN等頻段），需要在高頻形成雙諧振，可以利用一塊寄生的短路片[3,8]（如圖6所示），寄生諧振和分支節的諧振頻率接近時，在高頻形成雙峰（11S曲線如圖 7所示），使得高頻段帶寬提高了一倍以上，能夠覆蓋整個移動通信常用頻段。

圖6 內置三頻天線

圖7 三頻PIFA天線 11S 曲線

2 天線匹配方法

小型移動終端天線由于先天受到尺寸的限制，總是存在較大的電抗分量，它會減少天線對信號功率的提取，必須使電抗分量盡可能為零。事實上即使設計好的天線的輸入阻抗中總還含有小的電抗分量，純電阻性只是針對點頻而言。阻抗失配時會導致：1）天線駐波變大、效率下降、傳輸功率下降；2）引起射頻前端放大器頻率偏移，由于振蕩器頻率受到負載（天線）的影響，負載變化時，振蕩器的負載（電抗）變化，頻率會發生偏移。

選擇 1～3個電抗元件，串并組成集總參數匹配，這是移動終端天線常用的一種方法。常用的形式有L、Г、Т、∏型等匹配網絡。由于公式解析法非常繁瑣，所以一般使用ZY復合Smith圓圖（如圖8所示），即可以很好的達到目的。

圖8 ZY-Smith圓圖

使用復合ZY-Smith圓圖，假設黑色圓點即為天線阻抗的參量點。

1）串聯時參量點沿等r圓移動，串電感（L）順時針轉動，串電容（C）時逆時針移動；

2）并聯時參量點沿等g圓移動，并電感（L）逆時針轉動，并電容（C）時順時針轉動。

3）匹配禁區。不同的匹配方法存在不同的匹配禁區，例如在先并C后串L時，從參量點通過并C沿等g圓轉動，必須能與 1r=的等r圓相交才能達到目的，否則永不成功。所以從圖8（b）可見當參量點落在陰影區時，用這種匹配方式是不能匹配的，此區域既為這種電路的匹配禁區。

4）三元件（T型和∏型）匹配電路原理一樣，只是電路中增加了一個節點，可以通過適當的選擇該節點上阻抗來調整天線帶寬。

3 結語

移動終端必然向小型化、多功能的方向發展，這就要求與之配套的天線具有小型化、多頻段和超寬帶[8-9]的特點。文中按照終端天線發展歷程，分析了各種形式的終端天線的工作原理，為項目設計提供了理論參考。

文中設計了一種小尺寸低剖面的三頻 PIFA天線，能覆蓋 GSM、CDMA、DCS、WCDMA、WLAN等主要移動終端的工作頻段，有很大的應用價值。最后提出了一種天線阻抗的匹配方法，能簡單有效的降低天線駐波，提高天線效率，對各類電小尺寸的終端天線的調試工作有較大的指導意義。

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