如何進(jìn)行GSM手機(jī)雙頻天線的阻抗匹配

2017-03-28 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

通常對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)上的阻抗匹配可利用SMITH圓圖工具進(jìn)行,兩個(gè)器件肯定能搞定,即通過(guò)串+并聯(lián)電感或電容即可實(shí)現(xiàn)由圓圖上任一點(diǎn)到另一點(diǎn)的阻抗匹配, 但這是單頻的。而手機(jī)天線是雙頻的,對(duì)其中一個(gè)頻點(diǎn)匹配,必然會(huì)對(duì)另一個(gè)頻點(diǎn)造成影響,因此阻抗匹配只能是在兩個(gè)頻段上折衷。

在某一個(gè)頻點(diǎn)匹配很容易,但是雙頻以上就復(fù)雜點(diǎn)了。因?yàn)樵?00M完全匹配了,那么1800處就不會(huì)達(dá)到匹配,要算一個(gè)適合的匹配電路。最好用仿真軟件或一個(gè)點(diǎn)匹配好了,在網(wǎng)絡(luò)分析儀上的 S11參數(shù)下調(diào)整,因?yàn)殡p頻的匹配點(diǎn)肯定離此處不會(huì)太遠(yuǎn)。,只有兩個(gè)元件匹配是唯一的,但是 pi 型網(wǎng)絡(luò)匹配,就有無(wú)數(shù)個(gè)解了。這時(shí)候需要仿真來(lái)挑,最好使用經(jīng)驗(yàn)。

仿真工具在實(shí)際過(guò)程中幾乎沒(méi)什么用處。因?yàn)榉抡婀ぞ呤遣恢滥阍哪Ｐ偷?。你必須要輸入?shí)際元件的模型,也就是說(shuō)各種分布參數(shù),你的結(jié)果才可能與實(shí)際相符。一個(gè)實(shí)際電感器并不是簡(jiǎn)單用電感量能衡量的,應(yīng)該是一個(gè)等效網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬。本人通常只會(huì)用仿真工具做一些理論的研究。

實(shí)際設(shè)計(jì)中,要充分明白Smith圓圖的原理,然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀的圓圖工具多調(diào)試。懂原理讓你定性地知道要用什么件,多調(diào)是要讓你熟悉你所用的元件會(huì)在實(shí)際的圓圖上怎么移動(dòng)。(由于分布參數(shù)及元件的頻率響應(yīng)特性的不同,實(shí)際件在圓圖上的移動(dòng)和你理論計(jì)算的移動(dòng)會(huì)不同的)。

雙頻的匹配的確是一個(gè)折衷的過(guò)程。你加一個(gè)件一定是有目的性的。以GSM、DCS雙頻來(lái)說(shuō),你如果想調(diào)GSM而又不太想改變DCS,你就應(yīng)該選擇串連電容、并聯(lián)電感的方式。同樣如果想調(diào)DCS,你應(yīng)該選擇串電感、并電容。

理論上需要2各件調(diào)一個(gè)頻點(diǎn),所以實(shí)際的手機(jī)或者移動(dòng)終端通常按如下規(guī)律安排匹配電路:對(duì)于簡(jiǎn)單一些的,天線空間比較大,反射本來(lái)就較小的,采用Pai型(2并一串),如常規(guī)直板手機(jī)、常規(guī)翻蓋機(jī);稍微復(fù)雜些的采用雙L型(2串2并):對(duì)于更復(fù)雜的,采用L+Pai型(2串3并),比如用拉桿天線的手機(jī)。

記住,匹配電路雖然能降低反射,但同時(shí)會(huì)引入損耗。有些情況,雖然駐波比好了,但天線系統(tǒng)的效率反而會(huì)降低。所以匹配電路的設(shè)計(jì)是有些忌諱的;比如在GSM、DCS手機(jī)中匹配電路中,串聯(lián)電感一般不大于5.6nH。還有,當(dāng)天線的反射本身比較大,帶寬不夠,在smith圖上看到各頻帶邊界點(diǎn)離圓心的半徑很大,一般加匹配是不能改善輻射的。

天線的反射指標(biāo)(VSWR,return loss)在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般只要作為參考。關(guān)鍵參數(shù)是傳輸性參數(shù)(如效率,增益等)。有人一味強(qiáng)調(diào)return loss,一張口要-10dB,駐波比要小于1.5,其實(shí)沒(méi)有意義。我碰到這種人,我就開玩笑說(shuō),你只要反射指標(biāo)好,我給你接一個(gè)50歐姆的匹配電阻好了,那樣駐波小于1.1啊,至于你手機(jī)能不能工作我就不管了!

SWR駐波比僅僅說(shuō)明端口的匹配程度,即阻抗匹配程度。匹配好,SWR小,天線輸入端口處反射回去的功率小。匹配不好,反射回去的功率就大。至于進(jìn)入天線的那部分功率是不是輻射了,你根本不清楚。天線的效率是輻射到空間的總功率與輸入端口處的總功率之比。所以SWR好了,無(wú)法判斷天線效率一定就高(拿一個(gè)50ohm的匹配電阻接上,SWR很好的,但有輻射嗎?)。但是SWR不好了,反射的功率大,可以肯定天線的效率一定不會(huì)高。SWR好是天線效率好的必要條件而非充分條件。SWR好并且輻射效率(radiation efficiency)高是天線效率高的充分必要條件。當(dāng)SWR為理想值(1)時(shí),端口理想匹配,此時(shí)天線效率就等于輻射效率。

當(dāng)今的手機(jī),天線的空間壓縮得越來(lái)越小,是犧牲天線的性能作為代價(jià)的。對(duì)于某些多頻天線,甚至VSWR達(dá)到了6。以前大家比較多采用外置天線,平均效率在50%算低的,現(xiàn)在50%以上的效率就算很好了!看一看市場(chǎng)上的手機(jī),即使是名公司的,如Nokia等,也有效率低于20%的。有的手機(jī)(滑蓋的啊,旋轉(zhuǎn)的啊)甚至在某些頻點(diǎn)的效率只有10%左右。

見過(guò)幾個(gè)手機(jī)內(nèi)置天線的測(cè)試報(bào)告,天線效率基本都在30-40%左右,當(dāng)時(shí)覺得實(shí)在是夠差的(比我設(shè)計(jì)的微帶天線而言),現(xiàn)在看來(lái)還是湊合的了。不過(guò)實(shí)際工程中,好像都把由于S11造成的損耗和匹配電路的損耗計(jì)在效率當(dāng)中了,按天線原理,只有介質(zhì)損耗(包括基板引起的和手機(jī)內(nèi)磁鐵引起的)和金屬損耗(盡管很小)是在天線損耗中的,而回?fù)p和匹配電路的損耗不應(yīng)該記入的。不過(guò)工程就是工程啊,這樣容易測(cè)試啊。

再補(bǔ)充一句,軟件仿真在一定程度上是對(duì)工程有幫助的:當(dāng)然,仿真的結(jié)果準(zhǔn)確程度沒(méi)法跟測(cè)試相比,但是通過(guò)參數(shù)掃描仿真獲取的天線性能隨參數(shù)變化趨勢(shì)還是有用的,這比通過(guò)測(cè)試獲取數(shù)據(jù)要快不少,尤其是對(duì)某些不常用的參數(shù)。

“仿真工具在實(shí)際工程中沒(méi)有什么用處”,是說(shuō)在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí),更具體一點(diǎn)是指設(shè)計(jì)雙頻GSM、DCS手機(jī)天線匹配電路時(shí)。如果單獨(dú)理解這句話,無(wú)疑是錯(cuò)的。事實(shí)上,我一直在用HFSS進(jìn)行天線仿真,其結(jié)果也都是基于仿真結(jié)果的。

焊元器件真的是一件費(fèi)勁的事,而且也有方法的,所謂熟能生巧嘛。大的公司可能給你專門配焊接員,那樣你可能就只要說(shuō)焊什么就可以了。然而,我們?cè)诖擞懻摰氖侨绾斡行У赝瓿善ヅ潆娐返脑O(shè)計(jì)。注意有效性!有效性包括所耗的時(shí)間以及選擇元器件的準(zhǔn)確性。如果沒(méi)有實(shí)際動(dòng)手的經(jīng)驗(yàn),只通過(guò)軟件仿真得出一種匹配設(shè)計(jì)然而用到實(shí)際天線輸入端。呵呵,我可以說(shuō),十有八九你的設(shè)計(jì)會(huì)不能用,甚至和你的想象大相徑庭!

實(shí)際設(shè)計(jì)中,還有一種情況你在仿真中是無(wú)法考慮的(除非你事先測(cè)量)。那就是,分布參數(shù)對(duì)于PIFA的影響。由于如今天線高度越來(lái)越小,而匹配電路要么在天線的下方(里面)要么在其下方(外面),反正很近,加入一個(gè)實(shí)際元件在實(shí)際中會(huì)引入分布參數(shù)的改變。尤其如果電路板排版不好,這種效應(yīng)會(huì)明顯一些。實(shí)際焊接時(shí),甚至如果一個(gè)件焊得不太好,重新焊接一下,都會(huì)帶來(lái)阻抗的變化。

所以,PIFA的設(shè)計(jì)中,通常我們不采用匹配電路(或者叫0ohm匹配)。這就要求你仔細(xì)調(diào)節(jié)優(yōu)化你的天線。一般來(lái)說(shuō)對(duì)現(xiàn)今的柔性電路板設(shè)計(jì)方案(Flexfilm)比較容易做到,因?yàn)樾薷妮椛淦容^容易。對(duì)于用得比較多的另一種設(shè)計(jì)方案沖壓金屬片(stamping metal),相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較難些了。一是硬度大,受工藝的限制不能充分理由所有空間,二是模具一旦成型要多次修改輻射片的設(shè)計(jì)也很困難。

在匹配設(shè)計(jì)上仿真工具有沒(méi)有很大的用處,沒(méi)多少人是可以用仿真工具算出匹配來(lái)的。再說(shuō),有沒(méi)有很大效果怎么衡量呢? 工程上講究的是快速,準(zhǔn)確。為了仿真而仿真,沒(méi)有實(shí)際意義。為了得到一個(gè)2、3、最多5個(gè)件的匹配你去建立電感、電容的模型,不太值的。還有,你如何考慮上面我提到的PIFA匹配的分布參數(shù)的改變?前面我還說(shuō)到一些匹配電路的忌諱,不是源于理論,完全源于實(shí)踐。因?yàn)樘炀€的設(shè)計(jì)是希望能提高它的輻射效率(總效率)!我沒(méi)有成功地在1小時(shí)內(nèi)通過(guò)仿真工具找到過(guò)準(zhǔn)確的匹配電路(就說(shuō)GSM、DCS)雙頻的吧,(實(shí)際中用視錯(cuò)法是可以的)。

這里也有個(gè)問(wèn)題提出來(lái):現(xiàn)在內(nèi)置天線中很多帶有speaker,speaker如何影響手機(jī)(及天線)的工作以及在HFSS中如何建模?(只有知道問(wèn)題的前半部分才有可能建好模的)。

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