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(多图) 分解4G智能手机天线设计的挑战

Paul Tornatta?? 2012年05月15日 ?? 收藏1

孔径调谐孔径调谐是通过改变辐射元件的谐振结构实现的。典型的实现方式是采用一个简单的开关来选择天线结构上的不同负载元件。开关负载元件会影响天线的电气长度,从而改变谐振频率。图2是采用固定阻抗匹配电路的可变状态、孔径调谐天线的交流电路模型。

图2:采用固定馈点匹配电路的可变状态天线
图2:采用固定馈点匹配电路的可变状态天线

不论是采用馈点匹配还是孔径调谐方法,如果天线同时用于发射和接收,那么调谐器件就必须能够承受最大发射功率,而且要能保持良好的性能特征。

案例说明  

下面这个例子很好地说明了调谐方法在天线体积减小方面带来的好处。这里用3D电磁建模程序分析两种不同的天线配置:一种是宽带设计;另一种是可以在相同频率范围内调谐,但使用了4个调谐状态的窄带设计。  

图3a显示了一个50x6x14mm的7频段天线配置,以及从700MHz至960MHz的较低三波段频谱范围内的相关辐射效率。图3b显示了相似的但体积更小(50x6x7mm)的天线配置。从图中可以看出,使用4个状态的调谐电路,可以产生几乎与较大的宽带天线相同的效率,以及整体频率覆盖率。

图3:在700MHz至960MHz范围内,a)多频段天线 和 b)调谐天线的体积和辐射效率的比较(天线尺寸单位:mm)。
图3:在700MHz至960MHz范围内,a)多频段天线 和 b)调谐天线的体积和辐射效率的比较(天线尺寸单位:mm)。

从图3示例可以清楚看到,通过将天线调谐到某一种状态,每个状态支持特定的一组频段,就可以实现天线物理体积的减半。在天线工作时,如要改变工作频段,只需改变状态即可。但这种改变所需的时间必须与无线电系统中其它功能的要求相一致。典型要求是10ms至20ms或更短时间。

互耦效应同时工作在相同频率的相邻天线间会产生互耦效应,这可以通过隔离技术加以减轻。最常用的技术是在物理上将天线彼此分开。随着间隔距离的增加,互耦效应将随之减弱。不过,对于手持设备来说,很难提供足够的间距来减弱互耦效应。在这种情况下,系统设计人员需要采用其它不同的天线解决方案来达到规范要求的性能指标。  

还有一种可行的解决方案,使用SkyCross公司提供的隔离模式天线技术(iMAT),从相同的天线结构产生两种不同的模式。iMAT天线结构放置在手机的一端;两个馈点分别运行不同的辐射模式。这两个馈点是相互隔离的,不会发生互耦导致的损耗,因此每种模式的效率都很高。另外,辐射图案是不同的,因此会产生一个较低的相关系数。图4描述了iMAT天线的实现原理,从图中可以看到,在相同天线结构上的两个馈点之间的隔离。

图4、iMAT天线实现原理
图4、iMAT天线实现原理

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智能手机? 天线设计? 4G?

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