移動(dòng)通信天線(xiàn)中使用變壓器常遇3點(diǎn)難題及解決方案

　　近年來(lái)安裝在移動(dòng)通信終端的移動(dòng)通信天線(xiàn)的設(shè)計(jì)難度逐漸增高。隨著LTE這種新型通信方式的增加，寬頻帶的使用越來(lái)越廣泛。另一方面，由于二次電池等大型化的因素，可使用空間（天線(xiàn)/領(lǐng)域）縮小了。因此，天線(xiàn)的小型化成了當(dāng)務(wù)之急。但是，如果天線(xiàn)被小型化的話(huà)，就意味著天線(xiàn)的阻抗和RF電路的輸入和輸出阻抗（50Ω系）相比的話(huà)會(huì)變低，這就意味著將RF電路跟天線(xiàn)阻抗通過(guò)全通信帶寬整合起來(lái)是非常困難的。

　　目前在實(shí)施阻抗整合時(shí)，一般使用電感器（L）、電容器（C）等LC元器件。但是，LC元器件電抗中具有頻率特性，整合阻抗后的天線(xiàn)Q值會(huì)劣化，頻帶寬會(huì)減小。

　　這里阻抗轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)于頻率特性難以呈現(xiàn)的材料來(lái)說(shuō)，就以主要在低頻領(lǐng)域中使用的變壓器來(lái)舉例吧。變壓器是通過(guò)結(jié)合磁場(chǎng)的2個(gè)線(xiàn)圈（變壓器、線(xiàn)圈）的電感（L值）的比率達(dá)到變換阻抗，所以不能保障理想狀態(tài)下的頻率特性。因此我們考慮到將其使用到阻抗的整合當(dāng)中。

　　移動(dòng)通信的天線(xiàn)中使用變壓器會(huì)遇到3點(diǎn)問(wèn)題。

　　1）微波頻段中由于“磁性材料的滲透性≒1”，因此很難達(dá)到高結(jié)合系數(shù);

　　2）天線(xiàn)的輸入阻抗很小會(huì)導(dǎo)致變壓器損耗影響大;

　　3）天線(xiàn)輸入阻抗值會(huì)因?yàn)轭l帶不同而產(chǎn)生變化。

　　正因?yàn)榇嬖谶@些問(wèn)題，至今為止移動(dòng)通信天線(xiàn)的阻抗整合中一直不使用變壓器。而我們通過(guò)獨(dú)有的方法解決了這一問(wèn)題。

　　結(jié)合系數(shù)是指構(gòu)成變壓器的2個(gè)變壓器、線(xiàn)圈間的距離以及由線(xiàn)圈導(dǎo)致的磁束形狀相關(guān)性而產(chǎn)生的變化。一邊維持高結(jié)合系數(shù)一邊控制變壓比，因此變壓、線(xiàn)圈的形狀達(dá)到了統(tǒng)一的狀態(tài)，從而開(kāi)發(fā)了每個(gè)線(xiàn)圈的L值都能自由控制的構(gòu)造。

　　這種構(gòu)造在LTCC（低溫共燒陶瓷）內(nèi)構(gòu)造而成，可在變壓器和線(xiàn)圈間的距離為數(shù)十μm的情況下制成。即使在微波頻帶中也可將變壓器的結(jié)合系數(shù)控制在0.7以上。

　　把高頻變壓器跟具有10Ω阻抗的天線(xiàn)連接，由于變壓器本身的材料特性產(chǎn)生的插入損耗（插入損耗）比起跟50Ω連接的高頻器件相對(duì)較大。因此，一般低頻中使用的具有大L值和阻抗成分的變壓器在高頻下難以使用。

　　為了削減這種阻抗成分并維持變壓比，我們采用了圖1所示的高頻變壓器的構(gòu)造。該構(gòu)造跟普通的變壓器構(gòu)造相反，它將接地連接端口跟天線(xiàn)連接端口完全逆反。因此，才能達(dá)到如圖1所示的變壓比。使用該構(gòu)造的話(huà)，因結(jié)合產(chǎn)生的互感M值會(huì)反應(yīng)到變壓器，變壓器中使用的線(xiàn)圈L值會(huì)減小，由于高頻變壓器的阻抗成分 I.L.可以被抑制得很小。

　　移動(dòng)通信天線(xiàn)中使用的通信帶寬以1GHz為界限分為低領(lǐng)域“lowband”和高領(lǐng)域“highband”兩種。開(kāi)放型天線(xiàn)中一般來(lái)說(shuō)lowband中為天線(xiàn)的基本波而highband中為天線(xiàn)的高頻波。天線(xiàn)內(nèi)部沒(méi)有安裝短針等組抗整合功能時(shí)，lowband的阻抗為10Ω左右，highband的阻抗為 19Ω左右。

　　如果在這樣的天線(xiàn)中安裝一定變壓比的變壓器，是不能只整合一個(gè)band的阻抗的。所以，天線(xiàn)用變壓器，必備的設(shè)計(jì)需求是要使變壓比適應(yīng)天線(xiàn)的阻抗頻率特性。這種適應(yīng)方法如圖2所示，是一種將理想的變壓部分和寄生成分部分分解開(kāi)來(lái)的等效電路。

　　此次開(kāi)發(fā)的變壓器構(gòu)造的寄生成分分為“串聯(lián)L”和“并聯(lián)L”兩種。在這之中，串聯(lián)寄生成分可通過(guò)增高結(jié)合系數(shù)減少影響，而并聯(lián)寄生成分則可能會(huì)發(fā)生“結(jié)合系數(shù)=1”的情況。必要的小L值設(shè)計(jì)的高頻變壓器中，是不可能排除并聯(lián)寄生成分的影響的。但是，可通過(guò)控制這種并聯(lián)寄生成分的值使變壓比適應(yīng)天線(xiàn)的阻抗頻率特性。并聯(lián)寄生成分的值可通過(guò)轉(zhuǎn)換變壓器線(xiàn)圈的L值來(lái)達(dá)到控制。此次，我們就發(fā)現(xiàn)了能夠很好地控制并聯(lián)寄生成分的L值和結(jié)合系數(shù)K的組合。

　　有了上述的構(gòu)造，以天線(xiàn)的組抗整合的簡(jiǎn)易化為目的試制高頻變壓器并評(píng)價(jià)。試制品的尺寸為2.0mm 1.25mm 0.6mm的表面貼裝元器件（SMD）（圖3）。在試作品的RF電路側(cè)連接50Ω系的測(cè)定器，天線(xiàn)連接側(cè)的阻抗和動(dòng)畫(huà)如圖4所示。試制變壓器將 lowband（892MHz）轉(zhuǎn)換成12→50Ω，highband（1940MHz）裝換成了19→50Ω。

　　將普通的LC電路跟天線(xiàn)連接，根據(jù)頻率特性的不同在廣帶寬情況下阻抗整合會(huì)變得困難。針對(duì)該情況，將本次試制的高頻變壓器跟天線(xiàn)連接，lowband和 highband都轉(zhuǎn)換成了最合適的阻抗。也就是說(shuō)，工匠圖上的阻抗軌跡有可能變化成阻抗整合容易的形狀。之后通過(guò)外部的調(diào)節(jié)元件將阻抗軌跡的相位進(jìn)行微調(diào)，有可能非常容易的就集中在50Ω附近了。（圖5）

　　在將這種高頻變壓器進(jìn)行通信終端實(shí)裝的時(shí)候，有什么優(yōu)點(diǎn)，安裝跟不安裝的環(huán)境下對(duì)天線(xiàn)特性進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。

　　使用市場(chǎng)上的夏普智能手機(jī)「ISW16SH」型號(hào)，在LC電路中進(jìn)行阻抗整合時(shí)的特性，使用試制高頻變壓器進(jìn)行阻抗整合時(shí)的特性，兩者進(jìn)行比較跟評(píng)價(jià)。（圖6）

　　ISW16SH機(jī)型在天線(xiàn)部分正下方有USB接口，在嚴(yán)格的條件下通過(guò)跟該接口連接對(duì)天線(xiàn)的電場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　結(jié)果顯示，lowband情況下LC電路和高頻變壓器都不可能達(dá)到「S11《-6dB」（反射損耗1.2dB）。而highband情況下，達(dá)到「S11《-6dB」范圍的，如果使用LC電路的話(huà)是300MHz，而使用高頻變壓器的話(huà)則是500MHz，達(dá)到了66%的改善效果。（圖 6（c））。此外，LC電路和高頻變壓器中天線(xiàn)的綜合特性顯示「TotalEfficiency」，lowband的高頻側(cè)也得到了0.6dB的改善效果。（圖6（d））。這種改善效果正是由于帶寬的廣帶寬化和I.L.得到了改善。

　　接下來(lái)將針對(duì)天線(xiàn)小型化的有效性進(jìn)行檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)天線(xiàn)具有改善接地距離的特性。但是，天線(xiàn)占據(jù)空間（排除了GND領(lǐng)域）很大的話(huà)天線(xiàn)以外的元器件安裝空間就會(huì)受壓迫。天線(xiàn)小型化和縮小天線(xiàn)空間迫在眉睫。當(dāng)天線(xiàn)空間的一部分被GND占據(jù)，對(duì)這時(shí)候的天線(xiàn)特性的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。天線(xiàn)空間的寬度為52mm，其中 13mm被GND占據(jù)，lowband的特性劣化，變成了跟LC電路等同的TotalEfficiency（圖7（b））。這就意味著實(shí)際上天線(xiàn)空間的面積可減少25%。

　　綜上所述，可證明本次試制的高頻變壓器跟普通的LC電路相比可以改變天線(xiàn)的特性。高頻變壓器的變壓比適應(yīng)了天線(xiàn)的lowband和highband阻抗的實(shí)體，即使是在全頻帶范圍內(nèi)，可以說(shuō)也能夠獲得穩(wěn)定的阻抗整合的特性。

　　我們會(huì)將本次開(kāi)發(fā)的設(shè)備產(chǎn)品化。此設(shè)備將被視為繼電感器和電容器之后“第三的阻抗整合器件”而被活用。此設(shè)備是使用了變壓器的被動(dòng)元器件。像電感器和電容器一樣，不像使用了轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等能動(dòng)器件一樣有競(jìng)爭(zhēng)力，但它親和性很高。它對(duì)應(yīng)攜帶終端的多功能化，而天線(xiàn)今后必定是會(huì)進(jìn)化的，我們堅(jiān)信該設(shè)備今后必將為此進(jìn)化作出貢獻(xiàn)。