如何進(jìn)行GSM手機雙頻天線(xiàn)的阻抗

標簽：GSM 雙頻天線(xiàn)阻抗

通常對某個(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。而手機天線(xiàn)是雙頻的, 對其中一個(gè)頻點(diǎn)匹配,必然會(huì )對另一個(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，但是雙頻以上就復雜點(diǎn)了。因為在900M完全匹配了，那么1800處就不會(huì )達到匹配，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 S11參數下調整，因為雙頻的匹配點(diǎn)肯定離此處不會(huì )太遠。，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)數個(gè)解了。這時(shí)候需要仿真來(lái)挑，最好使用經(jīng)驗。

仿真工具在實(shí)際過(guò)程中幾乎沒(méi)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(shí)際元件的模型，也就是說(shuō)各種分布參數，你的結果才可能與實(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)際設計中，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(huì )在實(shí)際的圓圖上怎么移動(dòng)。(由于分布參數及元件的頻率響應特性的不同，實(shí)際件在圓圖上的移動(dòng)和你理論計算的移動(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GSM而又不太想改變DCS，你就應該選擇串連電容、并聯(lián)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(gè)頻點(diǎn)，所以實(shí)際的手機或者移動(dòng)終端通常按如下規律安排匹配電路：對于簡(jiǎn)單一些的，天線(xiàn)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(xiàn)的手機。

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(xiàn)系統的效率反而會(huì )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(lián)電感一般不大于5.6nH。還有，當天線(xiàn)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(xiàn)的反射指標(VSWR，return loss)在設計過(guò)程中一般只要作為參考。關(guān)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(shí)沒(méi)有意義。我碰到這種人，我就開(kāi)玩笑說(shuō)，你只要反射指標好，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(xiàn)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(xiàn)的那部分功率是不是輻射了，你根本不清楚。天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的效率一定不會(huì )高。SWR好是天線(xiàn)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(xiàn)效率高的充分必要條件。當SWR為理想值(1)時(shí)，端口理想匹配，此時(shí)天線(xiàn)效率就等于輻射效率。

當今的手機，天線(xiàn)的空間壓縮得越來(lái)越小，是犧牲天線(xiàn)的性能作為代價(jià)的。對于某些多頻天線(xiàn)，甚至VSWR達到了6。以前大家比較多采用外置天線(xiàn)，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(chǎng)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(diǎn)的效率只有10%左右。

見(jiàn)過(guò)幾個(gè)手機內置天線(xiàn)的測試報告，天線(xiàn)效率基本都在30-40%左右，當時(shí)覺(jué)得實(shí)在是夠差的(比我設計的微帶天線(xiàn)而言)，現在看來(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在效率當中了，按天線(xiàn)原理，只有介質(zhì)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(xiàn)損耗中的，而回損和匹配電路的損耗不應該記入的。不過(guò)工程就是工程啊，這樣容易測試啊。

對了，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(méi)法跟測試相比，但是通過(guò)參數掃描仿真獲取的 天線(xiàn)性能隨參數變化趨勢還是有用的，這比通過(guò)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(shí)際工程中沒(méi)有什么用處”，是說(shuō)在設計匹配電路時(shí)，更具體一點(diǎn)是指設計雙頻GSM、DCS手機天線(xiàn)匹配電路時(shí)。如果單獨理解這句話(huà)，無(wú)疑是錯的。事實(shí)上，我一直在用HFSS進(jìn)行天線(xiàn)仿真，其結果也都是基于仿真結果的。

對了，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(zhuān)門(mén)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(shí)間以及選擇元器件的準確性。 如果沒(méi)有實(shí)際動(dòng)手的經(jīng)驗，只通過(guò)軟件仿真得出一種匹配設計然而用到實(shí)際天線(xiàn)輸入端。呵呵，我可以說(shuō)，十有八九你的設計會(huì )不能用，甚至和你的想象大相徑庭!

實(shí)際設計中，還有一種情況你在仿真中是無(wú)法考慮的(除非你事先測量)。那就是，分布參數對于PIFA的影響。由于如今天線(xiàn)高度越來(lái)越小，而匹配電路要么在天線(xiàn)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 )引入分布參數的改變。尤其如果電路板排版不好，這種效應會(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(yōu)化你的天線(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)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(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計也很困難。