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如何進行GSM手機雙頻天線的阻抗匹配

2009-02-16 來源:互聯網 字號:

通常對某個頻點上的阻抗匹配可利用SMITH圓圖工具進行,兩個器件肯定能搞定,即通過串+并聯電感或電容即可實現由圓圖上任一點到另一點的阻抗匹配, 但這是單頻的。而手機天線是雙頻的,對其中一個頻點匹配,必然會對另一個頻點造成影響,因此阻抗匹配只能是在兩個頻段上折衷。

在某一個頻點匹配很容易,但是雙頻以上就復雜點了。因為在900M完全匹配了,那么1800處就不會達到匹配,要算一個適合的匹配電路。最好用仿真軟件或一個點匹配好了,在 網絡分析儀上 的 S11參數下調整,因為雙頻的匹配點肯定離此處不會太遠。,只有兩個元件匹配是唯一的,但是 pi 型網絡匹配,就有無數個解了。這時候需要仿真來挑,最好使用經驗。

仿真工具在實際過程中幾乎沒什么用處。因為仿真工具是不知道你元件的模型的。你必須要輸入實際元件的模型,也就是說各種分布參數,你的結果才可能與實際相符。一個實際電感器并不是簡單用電感量能衡量的,應該是一個等效網絡來模擬。本人通常只會用仿真工具做一些理論的研究。

仿真工具

實際設計中,要充分明白Smith圓圖的原理,然后用網絡分析儀的圓圖工具多調試。懂原理讓你定性地知道要用什么件,多調是要讓你熟悉你所用的元件會在實際的圓圖上怎么移動。(由于分布參數及元件的頻率響應特性的不同,實際件在圓圖上的移動和你理論計算的移動會不同的)。

雙頻的匹配的確是一個折衷的過程。你加一個件一定是有目的性的。以GSM、DCS雙頻來說,你如果想調GSM而又不太想改變DCS,你就應該選擇串連電容、并聯電感的方式。同樣如果想調DCS,你應該選擇串電感、并電容。

理論上需要2各件調一個頻點,所以實際的手機或者移動終端通常按如下規律安排匹配電路:對于簡單一些的,天線空間比較大,反射本來就較小的,采用Pai型(2并一串),如常規直板手機、常規翻蓋機;稍微復雜些的采用雙L型(2串2并):對于更復雜的,采用L+Pai型(2串3并),比如用拉桿天線的手機。

記住,匹配電路雖然能降低反射,但同時會引入損耗。有些情況,雖然駐波比好了,但天線系統的效率反而會降低。所以匹配電路的設計是有些忌諱的;比如在GSM、DCS手機中匹配電路中,串聯電感一般不大于5.6nH。還有,當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(VSWR,return loss)在設計過程中一般只要作為參考。關鍵參數是傳輸性參數(如效率,增益等)。有人一味強調return loss,一張口要-10dB,駐波比要小于1.5,其實沒有意義。我碰到這種人,我就開玩笑說,你只要反射指標好,我給你接一個50歐姆的匹配電阻好了,那樣駐波小于1.1啊,至于你手機能不能工作我就不管了!

SWR駐波比僅僅說明端口的匹配程度,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,無法判斷天線效率一定就高(拿一個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SWR為理想值(1)時,端口理想匹配,此時天線效率就等于輻射效率。

當今的手機,天線的空間壓縮得越來越小,是犧牲天線的性能作為代價的。對于某些多頻天線,甚至VSWR達到了6。以前大家比較多采用外置天線,平均效率在50%算低的,現在50%以上的效率就算很好了!看一看市場上的手機,即使是名公司的,如Nokia等,也有效率低于20%的。有的手機(滑蓋的啊,旋轉的啊)甚至在某些頻點的效率只有10%左右。

見過幾個手機內置天線的測試報告,天線效率基本都在30-40%左右,當時覺得實在是夠差的(比我設計的微帶天線而言),現在看來還是湊合的了。不過實際工程中,好像都把由于S11造成的損耗和匹配電路的損耗計在效率當中了,按天線原理,只有介質損耗(包括基板引起的和手機內磁鐵引起的)和金屬損耗(盡管很小)是在天線損耗中的,而回損和匹配電路的損耗不應該記入的。不過工程就是工程啊,這樣容易測試啊。

再補充一句,軟件仿真在一定程度上是對工程有幫助的:當然,仿真的結果準確程度沒法跟測試相比,但是通過參數掃描仿真獲取的 天線性能隨參數變化趨勢還是有用的,這比通過測試獲取數據要快不少,尤其是對某些不常用的參數。

“仿真工具在實際工程中沒有什么用處”,是說在設計匹配電路時,更具體一點是指設計雙頻GSM、DCS手機天線匹配電路時。如果單獨理解這句話,無疑是錯的。事實上,我一直在用HFSS進行天線仿真,其結果也都是基于仿真結果的。

焊元器件真的是一件費勁的事,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焊什么就可以了。然而,我們在此討論的是如何有效地完成匹配電路的設計。注意有效性!有效性包括所耗的時間以及選擇元器件的準確性。 如果沒有實際動手的經驗,只通過軟件仿真得出一種匹配設計然而用到實際天線輸入端。呵呵,我可以說,十有八九你的設計會不能用,甚至和你的想象大相徑庭!

實際設計中,還有一種情況你在仿真中是無法考慮的(除非你事先測量)。那就是,分布參數對于PIFA的影響。由于如今天線高度越來越小,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,加入一個實際元件在實際中會引入分布參數的改變。尤其如果電路板排版不好,這種效應會明顯一些。實際焊接時,甚至如果一個件焊得不太好,重新焊接一下,都會帶來阻抗的變化。

所以,PIFA的設計中,通常我們不采用匹配電路(或者叫0ohm匹配)。這就要求你仔細調節優化你的天線。一般來說對現今的柔性電路板設計方案(Flexfilm)比較容易做到,因為修改輻射片比較容易。對于用得比較多的另一種設計方案沖壓金屬片(stamping metal),相對來說就比較難些了。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計也很困難。

在匹配設計上仿真工具有沒有很大的用處,沒多少人是可以用仿真工具算出匹配來的。 再說,有沒有很大效果怎么衡量呢? 工程上講究的是快速,準確。為了仿真而仿真,沒有實際意義。為了得到一個2、3、最多5個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匹配的分布參數的改變?前面我還說到一些匹配電路的忌諱,不是源于理論,完全源于實踐。因為天線的設計是希望能提高它的輻射效率(總效率)!我沒有成功地在1小時內通過仿真工具找到過準確的匹配電路(就說GSM、DCS)雙頻的吧,(實際中用視錯法是可以的)。

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

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