移动通信中小天线技术新进展

2019-11-03 18:36:22

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供稿：网友

中佳讯安通科技有限公司总经理樊明延

清华大学电子工程系张雪霞教授冯正和教授

　　随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务、卫星广播、卫星定位的兴起，移动通信产品市场需求的日益膨胀，只有那些体积小，携带方便，高灵敏度，高稳定性的无线通信产品才能满足需求。BICOMS、MEMS等新兴微加工技术，使得不仅是现数字、基带电路模块，甚至连射频模块也已成功的实现了微型化、芯片化的设计和生产。与此同时，天线作为重要的射频前端器件，其指标要求也日益“苛刻”，小型化、内置化、多频段、智能化是移动终端小天线的发展趋势。

　　电小天线按照H.A.WHEELER的定义是指最大天线尺寸L< /2 的天线（为自由空间波长）。这里，我们所指小天线一般是包括电小天线或者较高频率（>2GHz）下尺寸较小的天线，本文将简要介绍我们在小天线研究中的最新技术成果，主要涉及电小双频、多频天线技术，可重构天线技术。

新型双频天线技术

线极化双枝印刷IFA天线[1]

　　目前，双频线极化电小天线主要应用在GSM、PCS等个人移动终端上面。典型内置天线原型为平面倒F结构。辐射贴片由形状产生了不同长度的绕行谐振电流，从而形成了双频特性。在2002年IEEE的天线与传播年会上，我们提出了新型印刷双枝的倒F天线结构原型，该结构可以直接印刷在电路板上，无需特殊安装工艺，适合和电路进行一体化设计，并且该结构容易调谐，是双频天线新的候选结构。

该天线设计和原理简述如下：

　　阴影部分为实际安装时电路板。印刷倒F结构可以有效的提高辐射电阻。曲折线与下面的短振子构成了两个不同的谐振回路。其中，为高谐振频率对应的自由空间波长。，为低谐振频率对应的自由空间波长。SR表示曲折线的缩短率，一般取30%-40%。通过优化结构参数和材料介电常数，可以设计设计满足各种双频需要的电小天线。

圆极化双频电小天线技术[2]

　　圆极化双频电小天线主要应用在卫星定位地面接收设备上面。对于微带结构的圆极化微带天线，实现双频的主流技术是在贴片上开缝实现。该结构的主要缺陷是没有对TM02的抑制，为了降低互耦，保证低旁瓣的方向性，只能采用TM01,TM03模式来构成双频。这样就增加的天线的尺寸。我们提出了新型抑制高次模式的双频微带结构。该结构由三部分构成，内部正方形贴片和外部带状框架通过四个带状线相连。在高频时（f=2.491GHz），谐振电流主要分布在内部正方形边缘，低频时(f=1.616GHz)，谐振电流分布于外部带状框架。四个带状线起到了抑制TM02模式的作用，使得低频和高频都谐振在TM01模式。该结构天线具有尺寸小，可以比通常电小双频天线缩减40%的尺寸，双频下辐射方向图一致性好等特点。

新型多频天线技术

　　随着3G，WLAN等应用的发展，多频段覆盖天线是天线发展最新的趋势。目前一般有两种解决，一种是多谐振结构来实现多频段，另一种是采取宽带结构，采取一个倍频的带宽来覆盖所有要求的频段。我们首次提出了新型印刷双环线多频天线和新型印刷双铃天线，作为第三代，和下一代移动通信天线单元的候选方案。

新型印刷双环线多频天线[3]

　　该天线结构是我们将在2003年亚太微波会议（APMC）上提出的新型多频点小天线结构原型。该结构采用了不同匝数的印刷环线构成了多个谐振回路，低频主要谐振在匝数多的环线上，高频主要谐振在匝数底的环线上。两环的基次谐振模式和高次谐振模式耦合构成了该天线的多频特性。该天线的测量和仿真结果可以清楚地看到，该天线在1GHz,1.6GHz,1.8GHz,2.4GHz,有多个谐振频段。

新型双铃宽频天线[4]

　　为了满足2GHZ以上频率的多频通信的需求，我们设计出了宽带平面内置天线。该天线覆盖了2-4.2GHz的频带可以满足IMT2000, WLAN802.11b,Bluetooth,3.5GHz无线接入等应用。其辐射单元整体尺寸只有31mm*15mm.，紧凑的设计结构易于和电路进行一体化的集成。

可重构天线技术

　　随着第三代移动通信的兴起，国际上研发者的目光已经转向了下一代移动通信。下一代移动关键技术之一是移动端智能天线的实现。目前的天线原型是采用天线圆阵加载电抗的方式来控制天线的波束指向，该类原型的主要缺点的尺寸大，不利于应用到便携式设备上。近年来，MEMS工艺的逐步发展，出现了新的天线类型：可重构天线。该类型天线利用MEMS技术实现了天线结构可变，使天线通过结构变化来改变天线频段，方向性等参数。我们提出了首次离散天线结构加载MEMS开关的天线原型来控制波束指向。

　　该天线工作在2.4GHz,由121的离散金属贴片和204个MEMS开关构成。金属贴片的连接或断开通过它们之间的MEMS开关的闭合或断开来控制。这样，就可以通过优化离散贴片之间的拓扑结构来控制天线的参数。

结束语

　　随着无线通信的飞速发展，作为关键技术之一的天线技术的革新速度也日益加快。身处天线行业中，笔者时刻能感觉到国际上天线技术的竞争压力，在为国外公司作天线定制设计的时候，我们经常要考虑规避国外7、8年前的天线专利技术。如何保护国内的天线技术知识产权，如何开创性的发展新型天线技术，缩短与国际天线技术水平的差距，如何避免仿制、低水平重复的短期行为，是我们天线业内人士必须要认真面对的一个问题。

参考文献：

[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　通信市场

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