移動(dòng)通信中小天線技術(shù)新進(jìn)展

中佳訊安通科技有限公司 總經(jīng)理 樊明延



清華大學(xué)電子工程系 張雪霞 教授 馮正和 教授




　　隨著無(wú)線通信中語(yǔ)音業(yè)務(wù)、窄帶和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星定位的興起， 移動(dòng)通信產(chǎn)品市場(chǎng)需求的日益膨脹，只有那些體積小，攜帶方便，高靈敏度，高穩(wěn)定性的無(wú)線通信產(chǎn)品才能滿足需求。BICOMS、MEMS等新興微加工技術(shù)，使得不僅是現(xiàn)數(shù)字、基帶電路模塊，甚至連射頻模塊也已成功的實(shí)現(xiàn)了微型化、芯片化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。與此同時(shí)，天線作為重要的射頻前端器件，其指標(biāo)要求也日益“苛刻”，小型化、內(nèi)置化、多頻段、智能化是移動(dòng)終端小天線的發(fā)展趨勢(shì)。


　　電小天線按照H.A.WHEELER的定義是指最大天線尺寸L< /2 的天線（為自由空間波長(zhǎng)）。這里，我們所指小天線一般是包括電小天線或者較高頻率（>2GHz）下尺寸較小的天線，本文將簡(jiǎn)要介紹我們?cè)谛√炀�研究中的最新技術(shù)成果，主要涉及電小雙頻、多頻天線技術(shù)，可重構(gòu)天線技術(shù)。


新型雙頻天線技術(shù)


　　線極化雙枝印刷IFA天線[1]


　　目前，雙頻線極化電小天線主要應(yīng)用在GSM、PCS等個(gè)人移動(dòng)終端上面。典型內(nèi)置天線原型為平面倒F結(jié)構(gòu)。輻射貼片由形狀產(chǎn)生了不同長(zhǎng)度的繞行諧振電流，從而形成了雙頻特性。在2002年IEEE的天線與傳播年會(huì)上，我們提出了新型印刷雙枝的倒F天線結(jié)構(gòu)原型，該結(jié)構(gòu)可以直接印刷在電路板上，無(wú)需特殊安裝工藝，適合和電路進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并且該結(jié)構(gòu)容易調(diào)諧，是雙頻天線新的候選結(jié)構(gòu)。


　　該天線設(shè)計(jì)和原理簡(jiǎn)述如下：


　　陰影部分為實(shí)際安裝時(shí)電路板。印刷倒F結(jié)構(gòu)可以有效的提高輻射電阻。曲折線與下面的短振子構(gòu)成了兩個(gè)不同的諧振回路。其中，為高諧振頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)。


，為低諧振頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)。SR表示曲折線的縮短率，一般取30%-40%。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料介電常數(shù)，可以設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)滿足各種雙頻需要的電小天線。


　　圓極化雙頻電小天線技術(shù)[2]


　　圓極化雙頻電小天線主要應(yīng)用在衛(wèi)星定位地面接收設(shè)備上面。對(duì)于微帶結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線，實(shí)現(xiàn)雙頻的主流技術(shù)是貼片上開縫實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)的主要缺陷是沒(méi)有對(duì)TM02的抑制，為了降低互耦，保證低旁瓣的方向性，只能采用TM01,TM03模式來(lái)構(gòu)成雙頻。這樣就增加的天線的尺寸。我們提出了新型抑制高次模式的雙頻微帶結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成，內(nèi)部正方形貼片和外部帶狀框架通過(guò)四個(gè)帶狀線相連。仿真的諧振電流分布，在高頻時(shí)（f=2.491GHz），諧振電流主要分布在內(nèi)部正方形邊緣，低頻時(shí)(f=1.616GHz)，諧振電流分布于外部帶狀框架。四個(gè)帶狀線起到了抑制TM02模式的作用，使得低頻和高頻都諧振在TM01模式。該結(jié)構(gòu)天線具有尺寸小，可以比通常電小雙頻天線縮減40%的尺寸，雙頻下輻射方向圖一致性好等特點(diǎn)。


　　新型多頻天線技術(shù)


　　隨著3G，WLAN等應(yīng)用的發(fā)展，多頻段覆蓋天線是天線發(fā)展最新的趨勢(shì)。目前一般有兩種解決，一種是多諧振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段，另一種是采取寬帶結(jié)構(gòu)，采取一個(gè)倍頻的帶寬來(lái)覆蓋所有要求的頻段。我們首次提出了新型印刷雙環(huán)線多頻天線和新型印刷雙鈴天線，作為第三代，和下一代移動(dòng)通信天線單元的候選方案。


　　新型印刷雙環(huán)線多頻天線[3]


　　該天線結(jié)構(gòu)。是我們將在2003年亞太微波會(huì)議（APMC）上提出的新型多頻點(diǎn)小天線結(jié)構(gòu)原型。該結(jié)構(gòu)采用了不同匝數(shù)的印刷環(huán)線構(gòu)成了多個(gè)諧振回路，低頻主要諧振在匝數(shù)多的環(huán)線上，高頻主要諧振在匝數(shù)底的環(huán)線上。兩環(huán)的基次諧振模式和高次諧振模式耦合構(gòu)成了該天線的多頻特性。該天線的測(cè)量和仿真結(jié)果，可以清楚地看到，該天線在1GHz,1.6GHz,1.8GHz,2.4GHz,有多個(gè)諧振頻段。


　　新型雙鈴寬頻天線[4]


　　為了滿足2GHZ以上頻率的多頻通信的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)出了寬帶平面內(nèi)置天線。該天線覆蓋了2-4.2GHz的頻帶可以滿足IMT2000, WLAN802.11b,Bluetooth,3.5GHz無(wú)線接入等應(yīng)用。結(jié)構(gòu)如，其輻射單元整體尺寸只有31mm*15mm.，緊湊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)易于和電路進(jìn)行一體化的集成。該天線測(cè)試和仿真結(jié)果。


　　可重構(gòu)天線技術(shù)


　　隨著第三代移動(dòng)通信的興起，國(guó)際上研發(fā)者的目光已經(jīng)轉(zhuǎn)向了下一代移動(dòng)通信。下一代移動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)之一是移動(dòng)端智能天線的實(shí)現(xiàn)。目前的天線原型是采用天線圓陣加載電抗的方式來(lái)控制天線的波束指向，該類原型的主要缺點(diǎn)的尺寸大，不利于應(yīng)用到便攜式設(shè)備上。近年來(lái)，MEMS工藝的逐步發(fā)展，出現(xiàn)了新的天線類型：可重構(gòu)天線。該類型天線利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)可變，使天線通過(guò)結(jié)構(gòu)變化來(lái)改變天線頻段，方向性等參數(shù)。我們提出了首次離散天線結(jié)構(gòu)加載MEMS開關(guān)的天線原型來(lái)控制波束指向。


　　該天線結(jié)構(gòu)。該天線工作在2.4GHz,由121的離散金屬貼片和204個(gè)MEMS開關(guān)構(gòu)成。金屬貼片的連接或斷開通過(guò)它們之間的MEMS開關(guān)的閉合或斷開來(lái)控制。這樣，就可以通過(guò)優(yōu)化離散貼片之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)控制天線的參數(shù)。


　　該結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)只有70.5mm*70.5mm,大大低于采用圓陣的尺寸，有利于在便攜設(shè)備上的使用


結(jié)束語(yǔ)


　　隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展，作為關(guān)鍵技術(shù)之一的天線技術(shù)的革新速度也日益加快。身處天線行業(yè)中，筆者時(shí)刻能感覺(jué)到國(guó)際上天線技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，在為國(guó)外公司作天線定制設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們經(jīng)常要考慮規(guī)避國(guó)外7、8年前的天線專利技術(shù)。如何保護(hù)國(guó)內(nèi)的天線技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，如何開創(chuàng)性的發(fā)展新型天線技術(shù)，縮短與國(guó)際天線技術(shù)水平的差距，如何避免仿制、低水平重復(fù)的短期行為，是我們天線業(yè)內(nèi)人士必須要認(rèn)真面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。



參考文獻(xiàn)：


[1] Mingyan. Fan; Z. Feng; X. Zhang, "Dual frequency double-branch printed inverted-F antenna" IEEE 2002 AP-S Digest, Volume3, pp508 -511


[2] Mingyan, Fan; Nanbo. Jin; X. Zhang, "A Novel Compact Dual-Frequency Circular Polarized Patch Antenna" APMC 2003.


[3] Mingyan, Fan; Nanbo. Jin; X. Zhang, Z. Feng, "PCS Antenna Design: The Multi-Band Technique and Its Applications in Bandwidth Broadening" APMC 2003.


[4] Mingyan. Fan; Q. Hao, X. Zhang, Z. Feng, "Wideband planar double rings antenna for mobile communication terminals" Microwave and Millimeter Wave Technology, 2002 Proceedings. pp 1162 -1165


[5] Wenhua. Chen; Mingyan. Fan; Qing. Hao; Zhenghe Feng, "A Novel Reconfigurable Discrete Antenna" IEEE 2003 AP-S (have been accepted).




摘自　通信市場(chǎng)