面向未来移动通信的可调谐双频PIFA天线*

叶敏杰,张玉龙,吴次南,刘泽文*

(1.贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳 550025;2.清华大学微电子学研究所,北京 100084)

随着智能手机所支持的频段的持续增加,引发内部射频天线数量过多与尺寸过大问题,如何减少天线数量与尺寸并提高信号接收性能与带宽是无线通信领域所面临的问题,采用可调谐天线技术是重要的解决方案。

采用可调谐天线技术可以减少天线数量和尺寸,最大限度地提高射频性能,实现更好的信号强度、更快的数据速率和更长的电池寿命。可调谐天线可以提高手机天线增益,由于信号增强,基站会在连接时给予手机优先权,这意味着手机可以获得更快速的连接以及更好的通信质量。

现有的可调谐天线主要有两种构成方式:可调谐阻抗匹配TIM(Tunable Impedance Matching)和天线孔径调谐AAT(Antenna Aperture Tuning)[1]。使用TIM或AAT方法的可调谐天线,由于其在所需回波损耗条件下获得的带宽非常有限,导致单根天线难以覆盖2G/3G/4G移动通信频段。例如,在采用TIM或者AAT方法的单根可调谐天线文献[2-7]中,其报道的带宽相对较窄,可调谐单频天线的最大带宽为460 MHz[4],可调谐双频天线的最大合计带宽仅为400 MHz[7]。采用AAT或TIM方法的可调谐天线,已经有报道能应用于2G移动通信[8]和2G/3G移动通信[4];另有报道能应用于2G/3G/4G移动通信,但是其用到2根发射天线和4根接收天线[9]。

目前,中国三大电信运营商使用的2G/3G/4G移动通信频段包含于较低频段的825 MHz～960 MHz和较高频段的1 710 MHz～2 655 MHz,如表1所示。现有的单根不可调谐天线无法在所需回波损耗条件下完全覆盖2G/3G/4G移动通信频段,为了能覆盖这么宽的频率范围往往需要多根手机内置天线协调工作,或者设计为单根多频段天线,然而单根多频段天线经常会在其中某些频段产生较为严重的阻抗失配,从而导致天线在这些频段的射频性能较差[10]。

表1 我国2G/3G/4G移动通信频段

未来的5G手机除了能进行5G移动通信外,还需要向下兼容2G/3G/4G移动通信。然而,现在的4G手机已经将手机空间进行最优化分配,如果按照目前4G手机的设计模式,势必难以腾出多余的空间放置5G移动通信天线。目前的手机,数字电路部分很难再压缩,而由天线等构成的模拟电路部分还有较大的压缩空间。本设计的目标是利用单根天线实现2G/3G/4G移动通信,减少现有移动通信天线的数量和整体尺寸,从而为5G移动通信天线腾出空间。

在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14 dB(|S11|>14 dB),相对应的电压驻波比小于1.5(VSWR<1.5)。本文提出了一种全新的采用可调电感和电容TIC(Tunable Inductor and Capacitor)方法的可调谐双频PIFA天线,能在回波损耗大于14 dB下获得非常宽的带宽。在下文中我们首先给出不可调谐双频PIFA天线的结构设计和原理,然后在此基础上加入TIC电路,构成可调谐双频PIFA天线。该可调谐天线设计了两个可调谐位置:在辐射单元与接地平面之间并联一个可调电容C1;在辐射单元和同轴馈线之间串联一个可调电容C2和并联一个可调电感L构成可调LC匹配电路。采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线,能在改变天线谐振频率的同时调节天线与馈线的阻抗匹配,使得天线能在所需回波损耗条件下获得更宽的通信带宽。最后,借助有限元软件给出了不可调谐双频PIFA天线和采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的仿真结果。仿真结果表明,采用TIC方法的可调谐PIFA天线在|S11|>14 dB下的两个频率范围可以完全覆盖我国的2G/3G/4G移动通信所需频率。

1 结构设计与原理

1.1 不可调谐双频PIFA天线

本设计中,双频PIFA天线的低频段工作于GSM 900频段,GSM 900频段的信号上行频率范围为880 MHz～915 MHz,下行频率范围为925 MHz～960 MHz,为此设计天线的谐振频率为920 MHz,回波损耗大于14 dB的带宽要大于80 MHz。

对于PIFA天线,谐振频率的近似计算公式为

(1)

式中:f0为谐振频率;c是真空中的光速;L1和W1分别为辐射单元的长度和宽度;H和Ws分别为短路金属片的高度和宽度。

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

图1 不可调谐双频PIFA天线的三维结构模型图

图1展示了不可调谐双频PIFA天线的三维结构模型图,整个天线结构主要分为辐射单元、接地平面、短路金属片、同轴馈线和介质材料5个部分。辐射单元、接地平面、短路金属片的材质均为金属铜。辐射单元位于最上方,根据式(1)计算结果,并通过HFSS仿真优化,辐射单元的长度L1和宽度W1最终分别取54 mm和32 mm。接地平面位于最下方,其长度LG和宽度WG分别取120 mm和50 mm。辐射单元到接地平面之间填充的介质材料采用相对介电常数为1.06的Rohacell射频泡沫,高度H为10 mm。短路金属片的宽度WS取6 mm。

1.2 采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线

图2展示了采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的结构示意图,其包括第1级可调谐电路、PIFA天线和第2级可调谐电路。第1级可调谐电路由一个电容值范围为0.1 pF～2.0 pF的可调电容C1组成。第2级可调谐电路是由一个电容值范围为12.0 pF～20.0 pF的可调电容C2和一个电感值范围为4.6 nH～15.8 nH的可调电感L构成的可调LC匹配电路,该可调LC匹配电路位于馈电点和PIFA辐射单元之间。

图2 采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的结构示意图

可以采用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)可调电容和电感实现本设计。MEMS可调电容封装后的尺寸一般在几个平方毫米以内,例如Cavendish-Kinetics公司生产了一款芯片尺寸为2 mm2的MEMS数字可调电容[11]。同时,WiSpry公司也有系列MEMS可调电容产品[12]。MEMS可调电感可以采用多种调节方式来实现[13-14],为本设计提供良好的技术保障。

第1级可调谐电路用于调节天线的电长度,从而调节天线的谐振频率。第2级可调谐电路用于调节天线与馈线的阻抗匹配,当输入阻抗点偏离史密斯圆图(Smith chart)的中心时,它可以通过阻抗匹配网络移动到史密斯圆图的中心。

图3 史密斯圆图调节阻抗匹配的原理图

史密斯圆图调节阻抗匹配的原理如图3所示,当输入阻抗点1偏离史密斯圆图中心点3(50 Ω标准阻抗的中心点)时,可以先将点1先沿着史密斯圆图的等电阻线向下移动(等效为串联一个电容器)到点2,再将点2沿着史密斯圆图的等电导圆向上移动(等效为并联一个电感器)到点3处。

可调电容C2和可调电感L的值由史密斯圆图工具计算得出,本设计中C1、C2和L三者的关系如表2所示。

表2 C1、C2和L三者关系

从表2中可以看出,从TIC1到TIC20:可调电容C1的值从0.1 pF均匀地增加到2.0 pF;可调电容C2的值介于12.0 pF和20.0 pF之间,其中大部分数值处于18.2 pF～20.0 pF;可调电感L的值从15.8 nH变化到4.6 nH,呈现逐渐递减的趋势。

图4 采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的三维结构模型图

采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线,其三维结构模型如图4所示,辐射单元、接地平面、短路金属片、同轴馈线和介质材料的设计与不可调谐双频PIFA天线一样,不同之处在于:辐射单元并联了一个可调电容C1;在辐射单元与同轴馈线之间串联了一个可调电容C2和并联了一个可调电感L。

2 仿真结果

仿真结果由美国ANSYS公司开发的三维电磁仿真软件HFSS得出,该软件采用有限元法,计算结果准确可靠。

2.1 不可调谐双频PIFA天线

图5展示了不可调谐双频PIFA天线的仿真S11参数。

图5 不可调谐双频PIFA天线的仿真S11

从图5的仿真结果可知,不可调双频PIFA天线的谐振频率为920 MHz和2 780 MHz。这两个谐振频率所对应的S11参数分别为-24.66 dB和-9.56 dB。

长度为54 mm和宽度为32 mm的辐射单元能产生低频谐振频率为920 MHz和高频谐振频率为 2 780 MHz的效果,原因在于利用了天线不同的工作模式,即λ/4谐振模式和3λ/4谐振模式,从而产生了3倍关系的双谐振频率。然而,由于较高频段阻抗失配较为严重,导致较高频段整体的回波损耗数值明显低于较低频段。

从图5中可以看出,在回波损耗大于14 dB下的天线频率范围为880 MHz～970 MHz,其带宽为90 MHz,满足设计要求。

图6 采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的仿真S11

2.2 采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线

采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的仿真S11参数结果,如图6所示。state0表示PIFA天线的不可调谐状态。TIC1到TIC20表示的含义如表2所示,为了使结果图看得更清楚,图6中只列出12条TIC曲线,同时在图6中标出从TIC1到TIC20变化的路径。

在较高频段下,相比不可调谐双频PIFA天线,采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线的在不同谐振频率下的|S11|值均得到显著提高。不可调谐双频PIFA天线在较高频段下的S11参数值仅为-9.56 dB;而TIC方法的可调谐双频PIFA天线在较高频段下的S11参数介于-15 dB和-30 dB之间,其中绝大部分的S11小于-20 dB。说明采用TIC方法使得PIFA天线在较高频段获得了更好的阻抗匹配效果。

从图6中可以看出,在回波损耗大于14 dB下,天线频率范围为较低频段的700 MHz～970 MHz和较高频段的1 690 MHz～2 710 MHz。其带宽分别为270 MHz 和1 020 MHz,合计带宽1 290 MHz。相比不可调谐双频PIFA天线的90 MHz带宽,采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线获得的合计带宽是其14倍。

3 结论

本文介绍了一种新颖的采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线。该可调谐天线的两个工作频率范围分别为700 MHz～970 MHz和1 690 MHz～2 710 MHz,可以完全覆盖中国2G/3G/4G移动通信频段。采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线,可以有效提高PIFA天线的匹配特性,单根天线即可覆盖2G/3G/4G频谱,有助于减少现有移动通信天线的数量和整体尺寸,从而留足空间放置5G移动通信天线和其他功能部件。从本研究的结果看,可调电容和可调电感将会在可调谐天线中发挥重要作用,未来的工作重点将是开展采用TIC方法的可调谐双频PIFA天线实现研究。