小型移动终端天线设计
2012-09-25何凌云
何凌云
0 引言
随着移动通信的发展，移动终端也越来越趋于小型化，天线作为终端的重要组成部分也得到的很大的发展。这里讨论的终端是指手机、数据卡、掌上电脑等小型无线数据终端。在移动通信的早期，小型便携设备的天线普遍采用简单的四分之一波长单极子，但随着 3G通信的应用及人们对产品性能、外观的更高追求，多频段（GSM、CDMA、DCS、PCS、 WCDMA等）、小型化和低剖面的天线受到最多的重视。
目前使用的移动终端天线按外观可分为外置天线和内置天线；按天线型式又可分为单极子、对称振子、法向螺旋、倒L、倒F、平面倒L、平面倒F等。以下研究了相关的天线型式，可以通过这里了解小型移动终端天线的发展情况及设计技巧。
1 天线分析及设计
单极子天线是最早使用的外置终端天线[1]，后来出现的容性或感性加载天线（等效增加了高度h）、折叠振子天线、法向螺旋天线、套筒单极天线、倒L天线等都是在其基础上变化而来，虽然外型相差很大，但他们都具有相似的方向性（垂直极化、水平全向辐射）。
图1 各类单极子天线
为了减小单极天线的长度，缩小天线尺寸，杆状天线被做成周期性弯折结构，典型的形状包括螺旋状或反复折叠状（如图2所示）。前者为法向模螺旋天线， D /λ ≤ 0 .18，由于D很小，一圈内电流几乎不变，水平向电场辐射抵消，Eφ远小于Eθ，在远处表现为垂直极化。
图2 周期弯折单极子天线
螺旋绕线细时rR（阻抗）很小，rR随螺距P、直径D及线粗变化明显。
随着各种通信体制的发展，对天线的要求越来越高，天线必须适应多种通信频段，这种情况下双频天线受到重视。图3给出了几种不同的外置双频天线[2]，第 1种通过改变螺旋的螺距（螺旋分疏密两段，对低频来说上端密绕相当于电感加载，高频在疏密分界点就会反射回来，调节密绕段圈数可以改变低频的频率而不影响高频）；第2种方法使用一根直杆插在法向螺旋的正中间，产生高频的谐振，而线圈产生低频的谐振；后两种利用分支和反复折叠技术来实现双频谐振。
图3 外置双频天线
外置天线虽然可以采取很多方式来减少高度，但是在设计谐振频率时，它的高度还是大于最低频率的5%，对于目前最常用的频率800 MHz而言，外置天线还是太高。而在很多移动终端上，为了满足产品外观的要求，需要将天线设计在设备内部，留给天线的空间高一般不会超过10 mm，此时就需要采用剖面更低的内置天线。
典型的内置天线为平面倒 F天线[3-4]（PIFA），最普遍的认为它是由微带天线演变而来，为了获得低的方向性，人们将微带天线的宽度逐渐减小，经过改进最后形成如图4所示的PIFA天线。
图4 PIFA天线
此时相当于在倒L天线后加载了一个小量级的L'C'回路，同时相对于 L'而言 C'量级更小，可以将短路PIN脚后面的开路分支去掉，这里可以认为只存在感抗。由于 L'的引入（并联电感），使得天线的谐振频率降低。而IFA天线其实就是地平面减小以后的 PIFA天线。馈电源到开口端理论的长度为λ 4 ，但由于开口端的容性和短路端 L'的存在，当长度在0.8×λ4时，天线的行波系数已相当高，因此得出最价尺寸公式：
IFA和PIFA天线去掉短路PIN脚即得到倒L天线及平面倒L天线，统称为倒L天线。
在内置双频天线设计中，考虑了两种主要的设计理念，一种是使用两条不同的激励路径来产生不同的谐振频率（如图 5(a)所示），另一种理念是只用一条激励路径来产生双频谐振[5-7]。前者设计中，在辐射片中分离出一个较短的枝节，产生不同谐振路径，获取不同谐振频率，达到设计目的；后者的设计里，为了产生双频谐振（如图5(b)、图5(c)、图 5(d)所示），或利用倍频、或开几条不同的槽来使整条微带片弯曲，达到加长谐振路径目的、或使用同条型螺旋式弯折、或利用缝隙谐振等。
图5 内置双频天线
为了能高频段获得更宽的频带（如GSM、CDMA、DCS、WCDMA、WLAN等频段），需要在高频形成双谐振，可以利用一块寄生的短路片[3,8]（如图6所示），寄生谐振和分支节的谐振频率接近时，在高频形成双峰（11S曲线如图 7所示），使得高频段带宽提高了一倍以上，能够覆盖整个移动通信常用频段。
图6 内置三频天线
图7 三频PIFA天线 11S 曲线
2 天线匹配方法
小型移动终端天线由于先天受到尺寸的限制，总是存在较大的电抗分量，它会减少天线对信号功率的提取，必须使电抗分量尽可能为零。事实上即使设计好的天线的输入阻抗中总还含有小的电抗分量，纯电阻性只是针对点频而言。阻抗失配时会导致：1）天线驻波变大、效率下降、传输功率下降；2）引起射频前端放大器频率偏移，由于振荡器频率受到负载（天线）的影响，负载变化时，振荡器的负载（电抗）变化，频率会发生偏移。
选择 1～3个电抗元件，串并组成集总参数匹配，这是移动终端天线常用的一种方法。常用的形式有L、Г、Т、∏型等匹配网络。由于公式解析法非常繁琐，所以一般使用ZY复合Smith圆图（如图8所示），即可以很好的达到目的。
图8 ZY-Smith圆图
使用复合ZY-Smith圆图，假设黑色圆点即为天线阻抗的参量点。
1）串联时参量点沿等r圆移动，串电感（L）顺时针转动，串电容（C）时逆时针移动；
2）并联时参量点沿等g圆移动，并电感（L）逆时针转动，并电容（C）时顺时针转动。
3）匹配禁区。不同的匹配方法存在不同的匹配禁区，例如在先并C后串L时，从参量点通过并C沿等g圆转动，必须能与 1r=的等r圆相交才能达到目的，否则永不成功。所以从图8（b）可见当参量点落在阴影区时，用这种匹配方式是不能匹配的，此区域既为这种电路的匹配禁区。
4）三元件（T型和∏型）匹配电路原理一样，只是电路中增加了一个节点，可以通过适当的选择该节点上阻抗来调整天线带宽。
3 结语
移动终端必然向小型化、多功能的方向发展，这就要求与之配套的天线具有小型化、多频段和超宽带[8-9]的特点。文中按照终端天线发展历程，分析了各种形式的终端天线的工作原理，为项目设计提供了理论参考。
文中设计了一种小尺寸低剖面的三频 PIFA天线，能覆盖 GSM、CDMA、DCS、WCDMA、WLAN等主要移动终端的工作频段，有很大的应用价值。最后提出了一种天线阻抗的匹配方法，能简单有效的降低天线驻波，提高天线效率，对各类电小尺寸的终端天线的调试工作有较大的指导意义。
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