小型移動(dòng)設(shè)備上的多頻段混合平衡天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方案

小型用戶(hù)設(shè)備的天線(xiàn)設(shè)計(jì)多年來(lái)一直依賴(lài)于不平衡設(shè)計(jì)的使用 - 通常是單極天線(xiàn)和倒L天線(xiàn)的巧妙變體。隨著設(shè)備尺寸的減小，不平衡天線(xiàn)變得越來(lái)越成問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊妮斎胱杩购洼椛涮匦栽诤艽蟪潭壬先Q于地平面的大小及其在其上的位置。

本文描述了一種新的多頻帶天線(xiàn)。平衡饋電網(wǎng)絡(luò)顯示出對(duì)通常的地平面效應(yīng)的實(shí)質(zhì)性抗擾性，并指出了新型天線(xiàn)設(shè)計(jì)的方式，這種設(shè)計(jì)可以在很少或沒(méi)有修改的平臺(tái)之間移動(dòng)。為了節(jié)省空間，這些設(shè)計(jì)在天線(xiàn)下方設(shè)有一個(gè)托架，以容納相關(guān)的射頻電路和設(shè)備。

平衡天線(xiàn)

雖然非平衡天線(xiàn)只有一個(gè)端子并且是靠著本地接地面驅(qū)動(dòng)的，但平衡天線(xiàn)有兩個(gè)端子相對(duì)于本地接地面呈現(xiàn)相同的阻抗。這兩個(gè)端子通過(guò)相等的電壓相對(duì)于地激勵(lì)，相位差為180°。這種略微不同尋常的定義清楚地表明，我們可以通過(guò)兩種方式想象一個(gè)平衡的結(jié)構(gòu)(圖1b和1c)。圖1(c)通過(guò)使用互補(bǔ)的不平衡結(jié)構(gòu)對(duì)提供了一種實(shí)現(xiàn)平衡結(jié)構(gòu)的另一種方法的有用見(jiàn)解，每種非平衡結(jié)構(gòu)都可以使用小型無(wú)線(xiàn)設(shè)備中常見(jiàn)的壓縮格式。

圖1：(a)天線(xiàn)不平衡，(b，c)平衡天線(xiàn)。

手機(jī)天線(xiàn)通常需要在兩個(gè)頻段(或組)上運(yùn)行樂(lè)隊(duì))，通常相隔大約一個(gè)八度。平衡天線(xiàn)的尺寸幾乎不可避免地大于不平衡天線(xiàn)的尺寸(對(duì)于相同的阻抗帶寬)，因此盡管平衡結(jié)構(gòu)對(duì)于上頻帶(1710 MHz及以上)完全可行，但仍有必要繼續(xù)使用較低頻段(800-900 MHz)的不平衡結(jié)構(gòu)。另一種觀(guān)察問(wèn)題的方法是，在使用非平衡天線(xiàn)的當(dāng)前手機(jī)中，天線(xiàn)的尺寸小于提供所需帶寬所需的尺寸，并且天線(xiàn)僅因?yàn)榈仄矫?底盤(pán))支持顯著的輻射電流而工作。因此，面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種能夠在較高頻帶中以平衡模式工作并在較低頻帶中以不平衡模式工作的結(jié)構(gòu)。本文所述工作的另一個(gè)相關(guān)目標(biāo)是漸進(jìn)式集成具有天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的手機(jī)的RF電子器件。目前的做法是將功率放大器，開(kāi)關(guān)(或雙工器)和接收器放置在離天線(xiàn)一定距離處，并使用50歐姆不平衡微帶線(xiàn)將它們連接到天線(xiàn)。電子設(shè)備與平衡天線(xiàn)的緊密集成創(chuàng)造了有趣的新可能性：天線(xiàn)可以直接從平衡放大器驅(qū)動(dòng)，天線(xiàn)可以輕松提供50歐姆以外的輸入阻抗。這些新參數(shù)改變了射頻元件設(shè)計(jì)的現(xiàn)有限制。目前天線(xiàn)由傳統(tǒng)的不平衡50歐姆輸入驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)平衡/非平衡對(duì)所需的電路如圖2所示(一個(gè))。雙工器分頻高頻和低頻信號(hào)。高頻信號(hào)通過(guò)芯片巴倫饋送到平衡天線(xiàn)，低頻帶直接驅(qū)動(dòng)不平衡天線(xiàn)。輻射元件物理排列成堆疊，如圖2(b)所示?？梢钥闯?，平衡高頻帶天線(xiàn)是通過(guò)電容耦合板從平衡 - 不平衡變換器驅(qū)動(dòng)的。這種安排避免了低頻饋電的短路。雙工器的低頻帶連接連接到放置它的低頻帶輻射器，但為了清楚起見(jiàn)，圖2(b)中省略了這種連接。

圖2：混合平衡/非平衡天線(xiàn)的物理布置。

配置

整個(gè)布局非常緊湊。圖2(b)所示的接地平面是可選電子設(shè)備托架的上表面，RF電路和設(shè)備可位于其中。低頻散熱器距離地面僅1.5毫米，而高頻散熱器高出4毫米。 5.5 mm的總高度接近正常多頻段天線(xiàn)的下限，對(duì)于覆蓋800 MHz和900 MHz頻段的天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，總高度非常低。

圖3 ：低頻段散熱器(flexi-pcb)。

該項(xiàng)目的最初目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)平衡天線(xiàn)，提供五個(gè)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電頻段(800-900-1800-1900-2100 MHz)的全面運(yùn)行，其效率至少與現(xiàn)有商用非平衡天線(xiàn)的效率一樣高。工作帶寬和終端效率逐步提高。最近的比較研究是通過(guò)將這里描述的格式的天線(xiàn)安裝到標(biāo)準(zhǔn)商用手機(jī)中進(jìn)行的，首先對(duì)原始天線(xiàn)的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

我們認(rèn)識(shí)到目前天線(xiàn)將由不平衡源驅(qū)動(dòng)，所以為了激發(fā)天線(xiàn)的平衡部分，需要一個(gè)平衡 - 不平衡變換器;我們還從手機(jī)上傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)/雙工器的輸出饋送天線(xiàn)。將來(lái)，可以直接從平衡無(wú)線(xiàn)電電路饋送高頻天線(xiàn)的元件，因此相關(guān)的損耗將消失(這已在圖6中進(jìn)行了調(diào)整)。

仿真結(jié)果

目前開(kāi)發(fā)狀態(tài)很大程度上歸功于使用Ansoft HFSS進(jìn)行了數(shù)小時(shí)的精心模擬。圖5中示出了本配置的典型結(jié)果，其中清楚地看到結(jié)構(gòu)的不同部分的激勵(lì)和兩個(gè)頻帶處的底盤(pán)的非常不同的激勵(lì)。圖5(a)中隱藏了高頻段輻射器，因此可以更清楚地看到低頻段輻射器中的電流。

測(cè)量結(jié)果

輻射模式

天線(xiàn)具有很強(qiáng)的抗干擾能力效果可以在圖4(a)中看到。這顯示了600 - 2400 MHz頻段的輸入回波損耗，手機(jī)處于自由空間并握在手中。相比之下，對(duì)于任何典型的手機(jī)天線(xiàn)，這是一個(gè)非常令人驚訝的結(jié)果，因?yàn)榧词乖谠汲叨认?，幾乎不可能區(qū)分這兩個(gè)結(jié)果。上頻帶中的輻射圖如下圖4(b，c)所示。這些只與在較低頻段獲得的典型偶極子模式略有不同。

圖4：(a)自由空間和自由空間中的輸入回波損耗手，(b)，(c)1850 MHz的輻射方向圖(徑向步長(zhǎng)為2 dB)。

圖5：天線(xiàn)和機(jī)箱中的模擬電場(chǎng)。黑色區(qū)域是低電流區(qū)域?？梢郧宄乜吹教炀€(xiàn)在平衡模式下工作的高頻帶中的低得多的電流水平。

與手機(jī)正交的平面中的圖案起初是令人費(fèi)解的，但缺乏顯著方向性的原因是地平面(天線(xiàn)下方)的電流是橫向的并且它們繼續(xù)向右流動(dòng)地平面的“背面”。高頻段的極化與手機(jī)的長(zhǎng)軸成直角，與低頻段不同，低頻帶通常與軸對(duì)齊。

使用多個(gè)傳統(tǒng)手機(jī)天線(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是它很難在它們的輸出之間獲得良好的去相關(guān)，因?yàn)榧词狗胖迷谑謾C(jī)的相對(duì)兩端，它們也通過(guò)相同的機(jī)箱電流耦合到外部場(chǎng)。通過(guò)在手機(jī)上旋轉(zhuǎn)天線(xiàn)來(lái)控制極化的能力是一項(xiàng)新功能，可以實(shí)現(xiàn)顯著的極化分集，更有效的雙天線(xiàn)干擾消除和改善的MIMO性能。

效率

性能比較使用傳統(tǒng)天線(xiàn)是通過(guò)將本文所述的RADIONOVA ®模塊替換為標(biāo)準(zhǔn)商用手機(jī)而制成的。比較效率如圖6所示。在繪制結(jié)果時(shí)，已經(jīng)考慮了平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器引入的過(guò)量衰減(在沒(méi)有來(lái)自發(fā)射器的平衡饋電的情況下)。因此，繪制的數(shù)字提供了未來(lái)表現(xiàn)潛力的合理指示。

圖6：(a)自由空間和手中的輸入回?fù)p，(b)，(c)1850 MHz的輻射方向圖(徑向步長(zhǎng)為2dB)。