葉敏杰,張玉龍,吳次南,劉澤文*

(1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2.清華大學(xué)微電子學(xué)研究所,北京 100084)

隨著智能手機(jī)所支持的頻段的持續(xù)增加,引發(fā)內(nèi)部射頻天線數(shù)量過(guò)多與尺寸過(guò)大問(wèn)題,如何減少天線數(shù)量與尺寸并提高信號(hào)接收性能與帶寬是無(wú)線通信領(lǐng)域所面臨的問(wèn)題,采用可調(diào)諧天線技術(shù)是重要的解決方案。

采用可調(diào)諧天線技術(shù)可以減少天線數(shù)量和尺寸,最大限度地提高射頻性能,實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)強(qiáng)度、更快的數(shù)據(jù)速率和更長(zhǎng)的電池壽命?？烧{(diào)諧天線可以提高手機(jī)天線增益,由于信號(hào)增強(qiáng),基站會(huì)在連接時(shí)給予手機(jī)優(yōu)先權(quán),這意味著手機(jī)可以獲得更快速的連接以及更好的通信質(zhì)量。

現(xiàn)有的可調(diào)諧天線主要有兩種構(gòu)成方式:可調(diào)諧阻抗匹配TIM(Tunable Impedance Matching)和天線孔徑調(diào)諧AAT(Antenna Aperture Tuning)[1]。使用TIM或AAT方法的可調(diào)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(dǎo)致單根天線難以覆蓋2G/3G/4G移動(dòng)通信頻段。例如,在采用TIM或者AAT方法的單根可調(diào)諧天線文獻(xiàn)[2-7]中,其報(bào)道的帶寬相對(duì)較窄,可調(diào)諧單頻天線的最大帶寬為460 MHz[4],可調(diào)諧雙頻天線的最大合計(jì)帶寬僅為400 MHz[7]。采用AAT或TIM方法的可調(diào)諧天線,已經(jīng)有報(bào)道能應(yīng)用于2G移動(dòng)通信[8]和2G/3G移動(dòng)通信[4];另有報(bào)道能應(yīng)用于2G/3G/4G移動(dòng)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(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商使用的2G/3G/4G移動(dòng)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(xiàn)有的單根不可調(diào)諧天線無(wú)法在所需回波損耗條件下完全覆蓋2G/3G/4G移動(dòng)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(jī)內(nèi)置天線協(xié)調(diào)工作,或者設(shè)計(jì)為單根多頻段天線,然而單根多頻段天線經(jīng)常會(huì)在其中某些頻段產(chǎn)生較為嚴(yán)重的阻抗失配,從而導(dǎo)致天線在這些頻段的射頻性能較差[10]。

表1 我國(guó)2G/3G/4G移動(dòng)通信頻段

未來(lái)的5G手機(jī)除了能進(jìn)行5G移動(dòng)通信外,還需要向下兼容2G/3G/4G移動(dòng)通信。然而,現(xiàn)在的4G手機(jī)已經(jīng)將手機(jī)空間進(jìn)行最優(yōu)化分配,如果按照目前4G手機(jī)的設(shè)計(jì)模式,勢(shì)必難以騰出多余的空間放置5G移動(dòng)通信天線。目前的手機(jī),數(shù)字電路部分很難再壓縮,而由天線等構(gòu)成的模擬電路部分還有較大的壓縮空間。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是利用單根天線實(shí)現(xiàn)2G/3G/4G移動(dòng)通信,減少現(xiàn)有移動(dòng)通信天線的數(shù)量和整體尺寸,從而為5G移動(dòng)通信天線騰出空間。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,一般要求回波損耗大于14 dB(|S11|>14 dB),相對(duì)應(yīng)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(diào)電感和電容TIC(Tunable Inductor and Capacitor)方法的可調(diào)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(diào)諧雙頻PIFA天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理,然后在此基礎(chǔ)上加入TIC電路,構(gòu)成可調(diào)諧雙頻PIFA天線。該可調(diào)諧天線設(shè)計(jì)了兩個(gè)可調(diào)諧位置:在輻射單元與接地平面之間并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容C1;在輻射單元和同軸饋線之間串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容C2和并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電感L構(gòu)成可調(diào)LC匹配電路。采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線,能在改變天線諧振頻率的同時(shí)調(diào)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(diào)諧雙頻PIFA天線和采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明,采用TIC方法的可調(diào)諧PIFA天線在|S11|>14 dB下的兩個(gè)頻率范圍可以完全覆蓋我國(guó)的2G/3G/4G移動(dòng)通信所需頻率。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

1.1 不可調(diào)諧雙頻PIFA天線

本設(shè)計(jì)中,雙頻PIFA天線的低頻段工作于GSM 900頻段,GSM 900頻段的信號(hào)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(shè)計(jì)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(duì)于PIFA天線,諧振頻率的近似計(jì)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(zhǎng)度和寬度;H和Ws分別為短路金屬片的高度和寬度。

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

圖1 不可調(diào)諧雙頻PIFA天線的三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖1展示了不可調(diào)諧雙頻PIFA天線的三維結(jié)構(gòu)模型圖,整個(gè)天線結(jié)構(gòu)主要分為輻射單元、接地平面、短路金屬片、同軸饋線和介質(zhì)材料5個(gè)部分。輻射單元、接地平面、短路金屬片的材質(zhì)均為金屬銅。輻射單元位于最上方,根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果,并通過(guò)HFSS仿真優(yōu)化,輻射單元的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhì)材料采用相對(duì)介電常數(shù)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(diào)諧雙頻PIFA天線

圖2展示了采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線的結(jié)構(gòu)示意圖,其包括第1級(jí)可調(diào)諧電路、PIFA天線和第2級(jí)可調(diào)諧電路。第1級(jí)可調(diào)諧電路由一個(gè)電容值范圍為0.1 pF～2.0 pF的可調(diào)電容C1組成。第2級(jí)可調(diào)諧電路是由一個(gè)電容值范圍為12.0 pF～20.0 pF的可調(diào)電容C2和一個(gè)電感值范圍為4.6 nH～15.8 nH的可調(diào)電感L構(gòu)成的可調(diào)LC匹配電路,該可調(diào)LC匹配電路位于饋電點(diǎn)和PIFA輻射單元之間。

圖2 采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線的結(jié)構(gòu)示意圖

可以采用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)可調(diào)電容和電感實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)。MEMS可調(diào)電容封裝后的尺寸一般在幾個(gè)平方毫米以內(nèi),例如Cavendish-Kinetics公司生產(chǎn)了一款芯片尺寸為2 mm2的MEMS數(shù)字可調(diào)電容[11]。同時(shí),WiSpry公司也有系列MEMS可調(diào)電容產(chǎn)品[12]。MEMS可調(diào)電感可以采用多種調(diào)節(jié)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[13-14],為本設(shè)計(jì)提供良好的技術(shù)保障。

第1級(jí)可調(diào)諧電路用于調(diào)節(jié)天線的電長(zhǎng)度,從而調(diào)節(jié)天線的諧振頻率。第2級(jí)可調(diào)諧電路用于調(diào)節(jié)天線與饋線的阻抗匹配,當(dāng)輸入阻抗點(diǎn)偏離史密斯圓圖(Smith chart)的中心時(shí),它可以通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到史密斯圓圖的中心。

圖3 史密斯圓圖調(diào)節(jié)阻抗匹配的原理圖

史密斯圓圖調(diào)節(jié)阻抗匹配的原理如圖3所示,當(dāng)輸入阻抗點(diǎn)1偏離史密斯圓圖中心點(diǎn)3(50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗的中心點(diǎn))時(shí),可以先將點(diǎn)1先沿著史密斯圓圖的等電阻線向下移動(dòng)(等效為串聯(lián)一個(gè)電容器)到點(diǎn)2,再將點(diǎn)2沿著史密斯圓圖的等電導(dǎo)圓向上移動(dòng)(等效為并聯(lián)一個(gè)電感器)到點(diǎn)3處。

可調(diào)電容C2和可調(diào)電感L的值由史密斯圓圖工具計(jì)算得出,本設(shè)計(jì)中C1、C2和L三者的關(guān)系如表2所示。

表2 C1、C2和L三者關(guān)系

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

圖4 采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線的三維結(jié)構(gòu)模型圖

采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線,其三維結(jié)構(gòu)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(zhì)材料的設(shè)計(jì)與不可調(diào)諧雙頻PIFA天線一樣,不同之處在于:輻射單元并聯(lián)了一個(gè)可調(diào)電容C1;在輻射單元與同軸饋線之間串聯(lián)了一個(gè)可調(diào)電容C2和并聯(lián)了一個(gè)可調(diào)電感L。

2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果由美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的三維電磁仿真軟件HFSS得出,該軟件采用有限元法,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.1 不可調(diào)諧雙頻PIFA天線

圖5展示了不可調(diào)諧雙頻PIFA天線的仿真S11參數(shù)。

圖5 不可調(diào)諧雙頻PIFA天線的仿真S11

從圖5的仿真結(jié)果可知,不可調(diào)雙頻PIFA天線的諧振頻率為920 MHz和2 780 MHz。這兩個(gè)諧振頻率所對(duì)應(yīng)的S11參數(shù)分別為-24.66 dB和-9.56 dB。

長(zhǎng)度為54 mm和寬度為32 mm的輻射單元能產(chǎn)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(chǎn)生了3倍關(guān)系的雙諧振頻率。然而,由于較高頻段阻抗失配較為嚴(yán)重,導(dǎo)致較高頻段整體的回波損耗數(shù)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(shè)計(jì)要求。

圖6 采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線的仿真S11

2.2 采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線

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

在較高頻段下,相比不可調(diào)諧雙頻PIFA天線,采用TIC方法的可調(diào)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(diào)諧雙頻PIFA天線在較高頻段下的S11參數(shù)值僅為-9.56 dB;而TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線在較高頻段下的S11參數(shù)介于-15 dB和-30 dB之間,其中絕大部分的S11小于-20 dB。說(shuō)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(jì)帶寬1 290 MHz。相比不可調(diào)諧雙頻PIFA天線的90 MHz帶寬,采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線獲得的合計(jì)帶寬是其14倍。

3 結(jié)論

本文介紹了一種新穎的采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線。該可調(diào)諧天線的兩個(gè)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(guó)2G/3G/4G移動(dòng)通信頻段。采用TIC方法的可調(diào)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(xiàn)有移動(dòng)通信天線的數(shù)量和整體尺寸,從而留足空間放置5G移動(dòng)通信天線和其他功能部件。從本研究的結(jié)果看,可調(diào)電容和可調(diào)電感將會(huì)在可調(diào)諧天線中發(fā)揮重要作用,未來(lái)的工作重點(diǎn)將是開(kāi)展采用TIC方法的可調(diào)諧雙頻PIFA天線實(shí)現(xiàn)研究。