移動通信中小天線技術(shù)新進展

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



　　隨著無線通信中語音業(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， 移動通信產(chǎn)品市場需求的日益膨脹，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現(xiàn)了微型化、芯片化的設(shè)計和生產(chǎn)。與此同時，天線作為重要的射頻前端器件，其指標要求也日益“苛刻”，小型化、內(nèi)置化、多頻段、智能化是移動終端小天線的發(fā)展趨勢。



　　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）。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，本文將簡要介紹我們在小天線研究中的最新技術(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等個人移動終端上面。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，無需特殊安裝工藝，適合和電路進行一體化設(shè)計，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)計和原理簡述如下：


　　陰影部分為實際安裝時電路板。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)成了兩個不同的諧振回路。其中，為高諧振頻率對應(yīng)的自由空間波長。
，為低諧振頻率對應(yīng)的自由空間波長。SR表示曲折線的縮短率，一般取30%-40%。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料介電常數(shù)，可以設(shè)計設(shè)計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。對于微帶結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線，實現(xiàn)雙頻的主流技術(shù)是在貼片上開縫實現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)的主要缺陷是沒有對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四個帶狀線相連。在高頻時（f=2.491GHz），諧振電流主要分布在內(nèi)部正方形邊緣，低頻時(f=1.616GHz)，諧振電流分布于外部帶狀框架。四個帶狀線起到了抑制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。



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。目前一般有兩種解決，一種是多諧振結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多頻段，另一種是采取寬帶結(jié)構(gòu)，采取一個倍頻的帶寬來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年亞太微波會議（APMC）上提出的新型多頻點小天線結(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，我們設(shè)計出了寬帶平面內(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無線接入等應(yīng)用。其輻射單元整體尺寸只有31mm*15mm.，緊湊的設(shè)計結(jié)構(gòu)易于和電路進行一體化的集成。



可重構(gòu)天線技術(shù)


　　隨著第三代移動通信的興起，國際上研發(fā)者的目光已經(jīng)轉(zhuǎn)向了下一代移動通信。下一代移動關(guān)鍵技術(shù)之一是移動端智能天線的實現(xiàn)。目前的天線原型是采用天線圓陣加載電抗的方式來控制天線的波束指向，該類原型的主要缺點的尺寸大，不利于應(yīng)用到便攜式設(shè)備上。近年來，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)實現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)可變，使天線通過結(jié)構(gòu)變化來改變天線頻段，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)的天線原型來控制波束指向。



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



結(jié)束語


　　隨著無線通信的飛速發(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，筆者時刻能感覺到國際上天線技術(shù)的競爭壓力，在為國外公司作天線定制設(shè)計的時候，我們經(jīng)常要考慮規(guī)避國外7、8年前的天線專利技術(shù)。如何保護國內(nèi)的天線技術(shù)知識產(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)人士必須要認真面對的一個問題。





參考文獻：


[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