今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一篇關(guān)于手機(jī)天線設(shè)計(jì)的論文，論文作者是Munyong Choi, Hyunho Wi, Byeonggwi Mun, Yonghyun Yoon, Hyunwoo Lee, and Byungje Lee，作者來(lái)自于BYD公司和韓國(guó)Kwangwoon University。
智能手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)很普及了，上到80歲老人，下到幾歲孩童，都可能用到智能手機(jī)。手機(jī)天線，作為手機(jī)接收和發(fā)射信號(hào)的元件，在手機(jī)中起著重要的作用，一款好的手機(jī)天線，更是相當(dāng)重要。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，手機(jī)所要支持的頻段會(huì)越來(lái)越多，尤其是5G時(shí)代。
我們看一下最新發(fā)布的小米11手機(jī)，到底需要支持多少個(gè)頻段呢？從最初的2G到現(xiàn)在的5G都要支持，包括2G通信系統(tǒng)的GSM和CDMA，3G通信系統(tǒng)的WCDMA和CDMA EVDO，4G的FDD-LTE和TDD LTE，當(dāng)然也必須支持5G，共計(jì)36個(gè)頻段。當(dāng)然這里面不同制式的頻段是重合的，可能可以共用一款天線，從幾百兆赫茲到幾個(gè)吉赫茲詳情請(qǐng)參考《5G頻段大全》
這么多的發(fā)射接收頻段，對(duì)天線的設(shè)計(jì)也增加了不少的難度，而且要在手掌大小的手機(jī)上實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)難度可想而知。
今天我們透過(guò)這篇論文一起看一下，這么多的手機(jī)頻段，天線到底是如何設(shè)計(jì)的？
這篇論文發(fā)表于2015年，當(dāng)時(shí)還是4G的時(shí)代，因此論文所述天線主要是應(yīng)用于4G手機(jī)，其所支持的頻段也不像目前手機(jī)這么多，但是對(duì)我們讀者了解學(xué)習(xí)手機(jī)天線，還是有一定的參考意義的。
論文的前言中，介紹了手機(jī)天線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，和設(shè)計(jì)難點(diǎn)：帶寬寬，尤其對(duì)于低頻頻段，相對(duì)帶寬超過(guò)了30%；頻段多，從低頻600MHz到高頻2.7GHz，體積小，而且效率高。
接著引出了論文所提出的一款5頻FIPA天線。這5個(gè)頻段包括GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA。天線示意圖如下圖所示，該天線具有兩個(gè)窄縫和接線引腳，該 PIFA 印刷在具有兩個(gè)狹縫的天線支架上。外殼（環(huán)氧樹(shù)脂 SLA 樹(shù)脂 + 聚丙烯酸酯；= 3.13, ）的尺寸為 126 × 66 × 8.9 mm 3。基板（FR-4; ，）具有7×62×1mm的整體尺寸3，和PCB接地平面具有的115×62×1mm的整體尺寸3，這是基于在商業(yè)智能手機(jī)的大小. 天線支架（環(huán)氧樹(shù)脂 SLA 樹(shù)脂 + 聚丙烯酸酯；，) 的體積為 62 × 8 × 5 mm3。
圖2 給出了這款天線的仿真駐波示意圖，文章中以VSWR<3作為設(shè)計(jì)參考，可以支持除了LTE頻段外的GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA頻段。通過(guò)結(jié)合 PIFA 模式和兩個(gè)狹縫模式，實(shí)現(xiàn)了多波段操作和寬帶寬。經(jīng)驗(yàn)證，表面電流分布如圖3所示。GSM850/900 頻段由 PIFA 的基本諧振模式覆蓋，如圖3(a) 所示。DCS/PCS/WCDMA 頻段與狹縫 1 和狹縫 2 的半波長(zhǎng)狹縫諧振模式相結(jié)合，如圖3(b)和3(c) 所示， 分別。PIFA 的 3 次諧波諧振模式在 3 GHz 左右實(shí)現(xiàn)，如圖3(d) 所示。圖4以展開(kāi)視圖示出了每個(gè)諧振模式的電流路徑，如圖1(c)所示。所提出的五波段 PIFA 的每個(gè)諧振模式都是在每個(gè)諧振頻率上獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的。圖5顯示了不同a、b和c長(zhǎng)度的模擬，如圖1(c) 所示。圖5(a)和5(b)表明，通過(guò)改變a和b的長(zhǎng)度，阻抗可以在 1800 MHz 和 1900 MHz 附近匹配，因此 DCS/PCS/WCDMA 頻段很容易通過(guò)優(yōu)化調(diào)整a和b的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5(c)顯示了所提出的天線的諧振頻率可以由c的長(zhǎng)度控制。當(dāng)c的長(zhǎng)度增加時(shí)，較低和較高頻帶的諧振頻率向下移動(dòng)。雖然提出的五頻段 PIFA 在緊湊的體積內(nèi)具有寬帶寬和多頻段操作，但并未涵蓋低頻 LTE 頻段和高頻 LTE 頻段，如圖2所示. 為了覆蓋整個(gè) LTE 頻段，在低頻 LTE 頻段（699-862 MHz）需要額外的諧振模式，并且需要在 3026 MHz 的五頻段 PIFA 的 3 次諧波諧振模式來(lái)移動(dòng)高頻LTE 頻段（2496–2690 MHz）。在下一節(jié)中，通過(guò)嵌入接地引腳和兩個(gè) PIN 二極管，提出了與所提出的五頻段 PIFA 相結(jié)合的頻率可重構(gòu)天線，以覆蓋 3G 服務(wù)頻段（GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 頻段）和整個(gè)范圍LTE 頻段。
圖3 給出了該天線的表面電流分布
接下來(lái)，神奇之筆來(lái)了，通過(guò)嵌入接地引腳和兩個(gè) PIN 二極管，提出了與所提出的五頻段 PIFA 相結(jié)合的頻率可重構(gòu)天線，以覆蓋 3G 服務(wù)頻段（GSM850/ 900/ DCS/ PCS/ WCDMA 頻段）和整個(gè)范圍LTE 頻段。
五頻段 PIFA 是為 GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 頻段設(shè)計(jì)的，3 次諧波諧振模式發(fā)生在 3 GHz 附近。為了額外覆蓋低頻 LTE 頻段和高頻 LTE 頻段，建議的五頻段 PIFA 首先修改為更長(zhǎng)的c長(zhǎng)度和一個(gè)額外的接地引腳，如圖6所示。c的長(zhǎng)度略微增加到 11.4 mm，而天線高度和支撐沒(méi)有增加。如圖5(c) 所示，五波段 PIFA 的諧振頻率隨著c的長(zhǎng)度向下移動(dòng)增加。在右上方增加了一個(gè)額外的接地引腳，因此修改后的五波段 PIFA 的諧振頻率進(jìn)一步向下移動(dòng)，如圖7所示。然后，最終將兩個(gè)PIN二極管（PIN二極管1和PIN二極管2）嵌入建議天線的左上側(cè)和右上側(cè)作為接地引腳，如圖8（a）所示。圖8(b)和8(c) 分別顯示了沒(méi)有/有外殼的建議天線的照片。圖9顯示了模擬的建議的天線與開(kāi)關(guān)技術(shù)。對(duì)于狀態(tài) 1（PIN 二極管 1：ON 狀態(tài)，PIN 二極管 2：OFF 狀態(tài)），建議的天線工作在低頻 LTE 頻段、DCS/PCS/WCDMA 頻段和高頻 LTE 頻段。觀察到，通過(guò)使用增加的c長(zhǎng)度（11.4 mm）和右上方的額外接地引腳，一階和三階諧波諧振模式現(xiàn)在向下移動(dòng)以分別覆蓋低頻 LTE 頻段和高頻 LTE 頻段邊。對(duì)于狀態(tài) 2（PIN 二極管 1：OFF 狀態(tài)，PIN 二極管 2：ON 狀態(tài)），GSM850/900 頻段由 PIFA 的諧振模式操作，其中接地引腳連接到右上方的 PIN 二極管 2。圖10(a)和10(b)分別顯示了擬議天線在低頻 LTE 頻段（狀態(tài) 1）中的 780 MHz 和 GSM850/900 頻段（狀態(tài) 2）中的 920 MHz 處的模擬表面電流分布。值得注意的是，建議的天線在每個(gè)狀態(tài)（狀態(tài) 1 或狀態(tài) 2）下獨(dú)立運(yùn)行。圖11(a)和11(b)還分別顯示了擬議天線的模擬表面電流分布，包括低頻 LTE 頻段（狀態(tài) 1）中的 780 MHz 和 GSM850/900 頻段（狀態(tài) 2）中的 920 MHz 的接地平面。觀察到地平面上的表面電流強(qiáng)度遠(yuǎn)低于輻射體上的強(qiáng)度，因此所提出的天線的輻射效率不受用戶手部效應(yīng)的顯著影響。通過(guò)在右上方增加一個(gè)接地引腳來(lái)增加電流路徑的長(zhǎng)度，并通過(guò)開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合兩種工作狀態(tài)（狀態(tài) 1 和狀態(tài) 2），實(shí)現(xiàn)了低頻段的寬阻抗帶寬。所以，提議的天線可以有效地覆蓋整個(gè) LTE 頻段范圍以及現(xiàn)有的商業(yè)頻段（GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA），同時(shí)符合嚴(yán)格限制的天線體積。為了證明所提出的天線切換方案的有效性，所提出的具有兩個(gè) PIN 二極管和偏置網(wǎng)絡(luò)的天線的設(shè)計(jì)如圖所示12 . 使用紐扣電池將偏置電壓設(shè)置為 3 V。在偏置網(wǎng)絡(luò)中，R 1和R 2電阻用于控制偏置電流，C 1和C 2電容器用于隔直，和電容器用于旁路，L 1和L 2電感器用于射頻扼流。偏置網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)組件的值如下：R 1 = R 2 = 300 Ω，C 1 = C 2 = 100 pF，= = 100 pF，并且L 1 = L 2 = 100 nH。在正向偏置狀態(tài)下，PIN 二極管的串聯(lián)電阻在 10 mA 時(shí)最大為 0.5 Ω。SKYWORKS 的 SMP1322-040LF 用于將由于 PIN 二極管的串聯(lián)電阻引起的耗散功率損耗降至最低 [ 10 ]。圖13(a)顯示了對(duì)建議天線的模擬和測(cè)量。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。圖13(b)和13(c)顯示分別針對(duì)低頻段和高頻段模擬和測(cè)量的總效率。對(duì)于所有工作頻段，建議的天線總效率大于 40%。天線效率是根據(jù) CTIA 3.3 [ 11 ]在 HOWLAND 的 OTA 室中測(cè)量的，這對(duì)于工業(yè)中的實(shí)際移動(dòng)手機(jī)天線應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常是可以接受的 [ 12 ]。圖14(a)、14(b)、14(c)和14(d) 分別顯示了在 800 MHz、920 MHz、1950 MHz 和 2600 MHz 下模擬和測(cè)量的輻射圖。模擬和測(cè)量的結(jié)果吻合得很好。
這篇論文提出了一種緊湊的頻率可重構(gòu)多頻段天線，以在 8 × 62 × 5 mm 3 (2.48 cc)的非常小的天線體積內(nèi)覆蓋大多數(shù)商業(yè) 3G/4G 移動(dòng)應(yīng)用。在有限的天線體積 (8 × 54.6 × 5 mm 3; 2.18 毫升）。然后，結(jié)合改進(jìn)的五頻段 PIFA，優(yōu)化添加了兩個(gè) PIN 二極管和一個(gè)額外的接地引腳，并且建議的天線也可以覆蓋整個(gè) LTE 頻段范圍。對(duì)于狀態(tài) 1，建議的天線覆蓋低頻 LTE 頻段、DCS/PCS/WCDMA 頻段和高頻 LTE 頻段。對(duì)于狀態(tài) 2，它涵蓋 GSM850/900 頻段。對(duì)于所有工作頻段，建議天線的總效率大于 40%。因此，本文提出的緊湊型頻率可重構(gòu)天線有望廣泛用作手機(jī)天線。
隨著手機(jī)所要支持的頻段越來(lái)越多，手機(jī)天線也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。出去論文中所給出的用于通信的天線之外，手機(jī)天線還包括藍(lán)牙天線，GPS天線，NFC天線等等。
