村田智能手机天线电感器选择技巧

近年的无线电终端装配了多个无线电通信系统,以智能手机为代表的多功能化不断发展。由于各种无线电通信系统所使用的频段都不相同,因此必须分别准备天线。为了在手机终端内的有限空间装配多个天线,要求天线实现小型化。天线是根据所使用的频率波长设计的,因此,频率越低波长就越长,天线也就越大。

尤其是MDTV (ISDB-T/CMMB/DVB-H) 用天线,因为使用UHF频段 (470-800MHz) ,所以天线很难实现小型化。可以通过用电感器调整谐振频率的方法实现小型化,但是需要选定考虑到天线特性恶化的零件。此外,已开始使用的LTE也要求天线能够涵盖700MHz频段和多个波频带。尤为引人注目的一项技术是切换方式,即用开关等切换1个天线单元,从而改变频率。该切换方式有时也采用集中常数 (电感器、电容器) ,与开关一起调整频率。

本文将介绍MDTV用变频芯片电介质天线的电感器选定示例。变频芯片电介质天线改变天线的谐振频率,涵盖了超过相对带宽50%的470-800MHz频段。采用变容二极管来改变频率,按频道切换频率。由于本天线实现了小型化,因此可以采用LQW系列,内置于手机终端内。

图1: Appearance of Antenna
图1: Appearance of Antenna

图2: Return Loss Curve

图2: Return Loss Curve


用于天线的电感器的选定方法

以调整频率为目的在天线上使用电感器时,为了避免使天线的辐射特性恶化,必须选定可以提高Q值、降低插入损失的电感器。此外,为了减少谐振频率的标准离差,电感器的偏差越小越好。除此之外,具备丰富的常数值种类也是一个选定因素。天线容易受外围环境的影响,每次改变终端内部规格都必须仔细调整频率。

下一项就电容器的Q值对天线特性的影响和偏差引起的频率标准离差,介绍应用到变频芯片电介质天线上的事例。 


各种电感器的天线的辐射特性

图3、4表示SimSurfing中登载的各种电感器的Q值和R的频率特性。图3、4例举了10nH的电感器的结果。可见,与LQG系列相比,LQW系列是Q值特性较高、插入损失较低的电感器。

图3: Q characteristics for 10nH

图3: Q characteristics for 10nH

图4: R characteristics for 10nH

图4: R characteristics for 10nH

图5表示改变了变频芯片电介质天线的电感器种类时的天线的辐射效率。由于变频芯片电介质天线采用了多个电感器,因此将产生大约1dB的效率差。应用LQW系列可以最大限度地抑制辐射效率的恶化。使用的电感值越大,电感器的ESR (等效串联电阻: Equivalent Series Resistance) 就越增加,因此也必须慎重地选定电感器的种类。

图5: Antenna Radiation Efficiency

*改变了多个电感器种类的结果。
图5: Antenna Radiation Efficiency

电感器的偏差引起的频率变动
MDTV的每个channel都分配了6~8MHz频段。视听时,需要涵盖该频段的天线特性。天线的谐振频率变化的主要原因有各种公差和偏差,还有电极类辐射元件的公差、装配到印制电路板上时的错位、插入到终端时的标准离差等。要求在设计天线时,能够考虑到上述因素,保证必要的频段。因此,要使用的电感器也必须选定偏差较小的品种。

图6、7表示使电感器偏差为±2%和±5%时的变频芯片电介质天线的反射损失波形。如果使用±2%的电感器,即使谐振频率改变,也可以涵盖必要的频段; 使用±5%的电感器时,在必要频段以外,谐振频率将会移动,辐射特性将会恶化。

图6: Return Loss for ±2% Tolerance

图6: Return Loss for ±2% Tolerance

图7: Return Loss for ±5% Tolerance

图7: Return Loss for ±5% Tolerance

图8表示通过模拟得到的辐射效率特性。对于Mkr1,假设电感器偏差为±2%时,辐射效率恶化量为Max.0.04dB左右; 假设为±5%,将恶化Max.0.37dB左右。这是所使用的电感器始终均为达到偏差界限的产品时的示例,为了努力提高天线的辐射特性,最好事先选定偏差较小的电感器。

图8: Antenna Radiation Efficiency

图8: Antenna Radiation Efficiency

总结:
天线首先要求具备良好的辐射效率。为此,如上所述,必须慎重地选择要使用的电感器。

此外,内置于终端的最近的小型天线,其特性将根据要装配的设备的状况 (设备的尺、天线的场所、外围零件的配置等) 而变化。

因此,在第一次试制、第二次试制和各个试制阶段,天线特性都将根据外围环境的变化而变化。在这种情况下,每次都重新制作天线是不现实的,可以将供货品种繁多的电感器作为调整元件加以有效利用,灵活地应对这种变化。今后也要求天线设计更加灵活,可以用LTE、WLAN等切换多个频带,并抑制MIMO系统的天线间结合,有效利用集中常数。

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