小型移动设备上的多频段混合平衡天线的设计方案

小型用户设备的天线设计多年来一直依赖于不平衡设计的使用 - 通常是单极天线和倒L天线的巧妙变体。随着设备尺寸的减小，不平衡天线变得越来越成问题，因为它们的输入阻抗和辐射特性在很大程度上取决于地平面的大小及其在其上的位置。

本文描述了一种新的多频带天线。平衡馈电网络显示出对通常的地平面效应的实质性抗扰性，并指出了新型天线设计的方式，这种设计可以在很少或没有修改的平台之间移动。为了节省空间，这些设计在天线下方设有一个托架，以容纳相关的射频电路和设备。

平衡天线

虽然非平衡天线只有一个端子并且是靠着本地接地面驱动的，但平衡天线有两个端子相对于本地接地面呈现相同的阻抗。这两个端子通过相等的电压相对于地激励，相位差为180°。这种略微不同寻常的定义清楚地表明，我们可以通过两种方式想象一个平衡的结构（图1b和1c）。图1（c）通过使用互补的不平衡结构对提供了一种实现平衡结构的另一种方法的有用见解，每种非平衡结构都可以使用小型无线设备中常见的压缩格式。

图1：（a）天线不平衡，（b，c）平衡天线。

手机天线通常需要在两个频段（或组）上运行乐队），通常相隔大约一个八度。平衡天线的尺寸几乎不可避免地大于不平衡天线的尺寸（对于相同的阻抗带宽），因此尽管平衡结构对于上频带（1710 MHz及以上）完全可行，但仍有必要继续使用较低频段（800-900 MHz）的不平衡结构。另一种观察问题的方法是，在使用非平衡天线的当前手机中，天线的尺寸小于提供所需带宽所需的尺寸，并且天线仅因为地平面（底盘）支持显着的辐射电流而工作。因此，面临的挑战是设计一种能够在较高频带中以平衡模式工作并在较低频带中以不平衡模式工作的结构。本文所述工作的另一个相关目标是渐进式集成具有天线结构的手机的RF电子器件。目前的做法是将功率放大器，开关（或双工器）和接收器放置在离天线一定距离处，并使用50欧姆不平衡微带线将它们连接到天线。电子设备与平衡天线的紧密集成创造了有趣的新可能性：天线可以直接从平衡放大器驱动，天线可以轻松提供50欧姆以外的输入阻抗。这些新参数改变了射频元件设计的现有限制。目前天线由传统的不平衡50欧姆输入驱动，因此驱动平衡/非平衡对所需的电路如图2所示（一个）。双工器分频高频和低频信号。高频信号通过芯片巴伦馈送到平衡天线，低频带直接驱动不平衡天线。辐射元件物理排列成堆叠，如图2（b）所示。可以看出，平衡高频带天线是通过电容耦合板从平衡 - 不平衡变换器驱动的。这种安排避免了低频馈电的短路。双工器的低频带连接连接到放置它的低频带辐射器，但为了清楚起见，图2（b）中省略了这种连接。

图2：混合平衡/非平衡天线的物理布置。

配置

整个布局非常紧凑。图2（b）所示的接地平面是可选电子设备托架的上表面，RF电路和设备可位于其中。低频散热器距离地面仅1.5毫米，而高频散热器高出4毫米。 5.5 mm的总高度接近正常多频段天线的下限，对于覆盖800 MHz和900 MHz频段的天线来说，总高度非常低。

图3 ：低频段散热器（flexi-pcb）。

该项目的最初目标是创建一个平衡天线，提供五个移动无线电频段（800-900-1800-1900-2100 MHz）的全面运行，其效率至少与现有商用非平衡天线的效率一样高。工作带宽和终端效率逐步提高。最近的比较研究是通过将这里描述的格式的天线安装到标准商用手机中进行的，首先对原始天线的性能进行基准测试。

我们认识到目前天线将由不平衡源驱动，所以为了激发天线的平衡部分，需要一个平衡 - 不平衡变换器;我们还从手机上传统开关/双工器的输出馈送天线。将来，可以直接从平衡无线电电路馈送高频天线的元件，因此相关的损耗将消失（这已在图6中进行了调整）。

仿真结果

目前开发状态很大程度上归功于使用Ansoft HFSS进行了数小时的精心模拟。图5中示出了本配置的典型结果，其中清楚地看到结构的不同部分的激励和两个频带处的底盘的非常不同的激励。图5（a）中隐藏了高频段辐射器，因此可以更清楚地看到低频段辐射器中的电流。

测量结果

辐射模式

天线具有很强的抗干扰能力效果可以在图4（a）中看到。这显示了600 - 2400 MHz频段的输入回波损耗，手机处于自由空间并握在手中。相比之下，对于任何典型的手机天线，这是一个非常令人惊讶的结果，因为即使在原始尺度下，几乎不可能区分这两个结果。上频带中的辐射图如下图4（b，c）所示。这些只与在较低频段获得的典型偶极子模式略有不同。

图4：（a）自由空间和自由空间中的输入回波损耗手，（b），（c）1850 MHz的辐射方向图（径向步长为2 dB）。

图5：天线和机箱中的模拟电场。黑色区域是低电流区域。可以清楚地看到天线在平衡模式下工作的高频带中的低得多的电流水平。

与手机正交的平面中的图案起初是令人费解的，但缺乏显着方向性的原因是地平面（天线下方）的电流是横向的并且它们继续向右流动地平面的“背面”。高频段的极化与手机的长轴成直角，与低频段不同，低频带通常与轴对齐。

使用多个传统手机天线的一个问题是它很难在它们的输出之间获得良好的去相关，因为即使放置在手机的相对两端，它们也通过相同的机箱电流耦合到外部场。通过在手机上旋转天线来控制极化的能力是一项新功能，可以实现显着的极化分集，更有效的双天线干扰消除和改善的MIMO性能。

效率

性能比较使用传统天线是通过将本文所述的RADIONOVA ®模块替换为标准商用手机而制成的。比较效率如图6所示。在绘制结果时，已经考虑了平衡 - 不平衡转换器引入的过量衰减（在没有来自发射器的平衡馈电的情况下）。因此，绘制的数字提供了未来表现潜力的合理指示。

图6：（a）自由空间和手中的输入回损，（b），（c）1850 MHz的辐射方向图（径向步长为2dB）。

结论

小型移动设备上的平衡天线可能有重要应用。本文中描述的安排为RF电子封装设计提供了新思路的真正机会，可以节省电路板面积，功耗和元件成本。对于许多不同的应用而言，避免定制设计的能力对设备设计者来说将是真正的好处。进一步的工作仍然是优化配置和理解不平衡低频天线对手部效应和阻抗变化的异常抗扰度。