移動(dòng)通信天線中使用變壓器常見3個(gè)難題及解決方案

     近年來安裝在移動(dòng)通信終端的移動(dòng)通信天線的設(shè)計(jì)難度逐漸增高。隨著LTE這種新型通信方式的增加，寬頻帶的使用越來越廣泛。另一方面，由于二次電池等大型化的因素，可使用空間（天線/領(lǐng)域）縮小了。因此，天線的小型化成了當(dāng)務(wù)之急。但是，如果天線被小型化的話，就意味著天線的阻抗和RF電路的輸入和輸出阻抗（50Ω系）相比的話會(huì)變低，這就意味著將RF電路跟天線阻抗通過全通信帶寬整合起來是非常困難的。

  目前在實(shí)施阻抗整合時(shí)，一般使用電感器（L）、電容器（C）等LC元器件。但是，LC元器件電抗中具有頻率特性，整合阻抗后的天線Q值會(huì)劣化，頻帶寬會(huì)減小。

    這里阻抗轉(zhuǎn)換時(shí)對于頻率特性難以呈現(xiàn)的材料來說，就以主要在低頻領(lǐng)域中使用的變壓器來舉例吧。變壓器是通過結(jié)合磁場的2個(gè)線圈（變壓器、線圈）的電感（L值）的比率達(dá)到變換阻抗，所以不能保障理想狀態(tài)下的頻率特性。因此我們考慮到將其使用到阻抗的整合當(dāng)中。

   移動(dòng)通信的天線中使用變壓器會(huì)遇到3點(diǎn)問題。

1）微波頻段中由于“磁性材料的滲透性≒1”，因此很難達(dá)到高結(jié)合系數(shù)；

2）天線的輸入阻抗很小會(huì)導(dǎo)致變壓器損耗影響大；

3）天線輸入阻抗值會(huì)因?yàn)轭l帶不同而產(chǎn)生變化。

   正因?yàn)榇嬖谶@些問題，至今為止移動(dòng)通信天線的阻抗整合中一直不使用變壓器。而我們通過獨(dú)有的方法解決了這一問題。

    結(jié)合系數(shù)是指構(gòu)成變壓器的2個(gè)變壓器、線圈間的距離以及由線圈導(dǎo)致的磁束形狀相關(guān)性而產(chǎn)生的變化。一邊維持高結(jié)合系數(shù)一邊控制變壓比，因此變壓、線圈的形狀達(dá)到了統(tǒng)一的狀態(tài)，從而開發(fā)了每個(gè)線圈的L值都能自由控制的構(gòu)造。

   這種構(gòu)造在LTCC（低溫共燒陶瓷）內(nèi)構(gòu)造而成，可在變壓器和線圈間的距離為數(shù)十μm的情況下制成。即使在微波頻帶中也可將變壓器的結(jié)合系數(shù)控制在0.7以上。

   把高頻變壓器跟具有10Ω阻抗的天線連接，由于變壓器本身的材料特性產(chǎn)生的插入損耗（插入損耗）比起跟50Ω連接的高頻器件相對較大。因此，一般低頻中使用的具有大L值和阻抗成分的變壓器在高頻下難以使用。

    為了削減這種阻抗成分并維持變壓比，我們采用了圖1所示的高頻變壓器的構(gòu)造。該構(gòu)造跟普通的變壓器構(gòu)造相反，它將接地連接端口跟天線連接端口完全逆反。因此，才能達(dá)到如圖1所示的變壓比。使用該構(gòu)造的話，因結(jié)合產(chǎn)生的互感M值會(huì)反應(yīng)到變壓器，變壓器中使用的線圈L值會(huì)減小，由于高頻變壓器的阻抗成分I.L.可以被抑制得很小。

   移動(dòng)通信天線中使用的通信帶寬以1GHz為界限分為低領(lǐng)域“l(fā)owband”和高領(lǐng)域“highband”兩種。開放型天線中一般來說lowband中為天線的基本波而highband中為天線的高頻波。天線內(nèi)部沒有安裝短針等組抗整合功能時(shí)，lowband的阻抗為10Ω左右，highband的阻抗為19Ω左右。

    如果在這樣的天線中安裝一定變壓比的變壓器，是不能只整合一個(gè)band的阻抗的。所以，天線用變壓器，必備的設(shè)計(jì)需求是要使變壓比適應(yīng)天線的阻抗頻率特性。這種適應(yīng)方法如圖2所示，是一種將理想的變壓部分和寄生成分部分分解開來的等效電路。

   此次開發(fā)的變壓器構(gòu)造的寄生成分分為“串聯(lián)L”和“并聯(lián)L”兩種。在這之中，串聯(lián)寄生成分可通過增高結(jié)合系數(shù)減少影響，而并聯(lián)寄生成分則可能會(huì)發(fā)生“結(jié)合系數(shù)=1”的情況。必要的小L值設(shè)計(jì)的高頻變壓器中，是不可能排除并聯(lián)寄生成分的影響的。但是，可通過控制這種并聯(lián)寄生成分的值使變壓比適應(yīng)天線的阻抗頻率特性。并聯(lián)寄生成分的值可通過轉(zhuǎn)換變壓器線圈的L值來達(dá)到控制。此次，我們就發(fā)現(xiàn)了能夠很好地控制并聯(lián)寄生成分的L值和結(jié)合系數(shù)K的組合。

   有了上述的構(gòu)造，以天線的組抗整合的簡易化為目的試制高頻變壓器并評價(jià)。試制品的尺寸為2.0mm 1.25mm 0.6mm的表面貼裝元器件（SMD）（圖3）。在試作品的RF電路側(cè)連接50Ω系的測定器，天線連接側(cè)的阻抗和動(dòng)畫如圖4所示。試制變壓器將lowband（892MHz）轉(zhuǎn)換成12→50Ω，highband（1940MHz）裝換成了19→50Ω。

    將普通的LC電路跟天線連接，根據(jù)頻率特性的不同在廣帶寬情況下阻抗整合會(huì)變得困難。針對該情況，將本次試制的高頻變壓器跟天線連接，lowband和highband都轉(zhuǎn)換成了合適的阻抗。也就是說，工匠圖上的阻抗軌跡有可能變化成阻抗整合容易的形狀。之后通過外部的調(diào)節(jié)元件將阻抗軌跡的相位進(jìn)行微調(diào)，有可能非常容易的就集中在50Ω附近了。（圖5）

   在將這種高頻變壓器進(jìn)行通信終端實(shí)裝的時(shí)候，有什么優(yōu)點(diǎn)，安裝跟不安裝的環(huán)境下對天線特性進(jìn)行比較和評價(jià)。

     使用市場上的夏普智能手機(jī)「ISW16SH」型號，在LC電路中進(jìn)行阻抗整合時(shí)的特性，使用試制高頻變壓器進(jìn)行阻抗整合時(shí)的特性，兩者進(jìn)行比較跟評價(jià)。（圖6）

     ISW16SH機(jī)型在天線部分正下方有USB接口，在嚴(yán)格的條件下通過跟該接口連接對天線的電場進(jìn)行評價(jià)。

   結(jié)果顯示，lowband情況下LC電路和高頻變壓器都不可能達(dá)到「S11《-6dB」（反射損耗1.2dB）。而highband情況下，達(dá)到「S11《-6dB」范圍的，如果使用LC電路的話是300MHz，而使用高頻變壓器的話則是500MHz，達(dá)到了66%的改善效果。（圖6（c））。此外，LC電路和高頻變壓器中天線的綜合特性顯示「TotalEfficiency」，lowband的高頻側(cè)也得到了0.6dB的改善效果。（圖6（d））。這種改善效果正是由于帶寬的廣帶寬化和I.L.得到了改善。

接下來將針對天線小型化的有效性進(jìn)行檢測。一般來說天線具有改善接地距離的特性。但是，天線占據(jù)空間（排除了GND領(lǐng)域）很大的話天線以外的元器件安裝空間就會(huì)受壓迫。天線小型化和縮小天線空間迫在眉睫。當(dāng)天線空間的一部分被GND占據(jù)，對這時(shí)候的天線特性的變化進(jìn)行評價(jià)。天線空間的寬度為52mm，其中13mm被GND占據(jù)，lowband的特性劣化，變成了跟LC電路等同的TotalEfficiency（圖7（b））。這就意味著實(shí)際上天線空間的面積可減少25%。

綜上所述，可證明本次試制的高頻變壓器跟普通的LC電路相比可以改變天線的特性。高頻變壓器的變壓比適應(yīng)了天線的lowband和highband阻抗的實(shí)體，即使是在全頻帶范圍內(nèi)，可以說也能夠獲得穩(wěn)定的阻抗整合的特性。

我們會(huì)將本次開發(fā)的設(shè)備產(chǎn)品化。此設(shè)備將被視為繼電感器和電容器之后“第三的阻抗整合器件”而被活用。此設(shè)備是使用了變壓器的被動(dòng)元器件。像電感器和電容器一樣，不像使用了轉(zhuǎn)換開關(guān)等能動(dòng)器件一樣有競爭力，但它親和性很高。它對應(yīng)攜帶終端的多功能化，而天線今后必定是會(huì)進(jìn)化的，我們堅(jiān)信該設(shè)備今后必將為此進(jìn)化作出貢獻(xiàn)。