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改變常規(guī)阻抗匹配的被動元器件的商品化

發(fā)布時間:2013-12-09 責任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】近年來安裝在移動通信終端的移動通信天線的設(shè)計難度逐漸增高。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務(wù)之急。
 
前言
 
近年來安裝在移動通信終端的移動通信天線的設(shè)計難度逐漸增高。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。
 
LC元器件的課題
 
目前在實施阻抗整合時,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值會劣化,頻帶寬會減小。
 
這里阻抗轉(zhuǎn)換時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個線圈(變壓器、線圈)的電感(L值)的比率達到變換阻抗,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中。
 
不使用變壓器的理由
 
移動通信的天線中使用變壓器會遇到3點問題。
 
(1)微波頻段中由于“磁性材料的滲透性≒1”,因此很難達到高結(jié)合系數(shù);
 
(2)天線的輸入阻抗很小會導(dǎo)致變壓器損耗影響大;
 
(3)天線輸入阻抗值會因為頻帶不同而產(chǎn)生變化。
 
正因為存在這些問題,至今為止移動通信天線的阻抗整合中一直不使用變壓器。而我們通過獨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、線圈的形狀達到了統(tǒng)一的狀態(tài),從而開發(fā)了每個線圈的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。
 
逆轉(zhuǎn)的連接端口
 
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值會反應(yīng)到變壓器,變壓器中使用的線圈L值會減小,由于高頻變壓器的阻抗成分I.L.可以被抑制得很小。
  
 
                                                   
不變的變壓比
 
移動通信天線中使用的通信帶寬以1GHz為界限分為低領(lǐng)域“low band”和高領(lǐng)域“high band”兩種。開放型天線中一般來說low band中為天線的基本波而high band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,low band的阻抗為10Ω左右,high band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band的阻抗的。所以,天線用變壓器,必備的設(shè)計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)寄生成分則可能會發(fā)生“結(jié)合系數(shù)=1”的情況。必要的小L值設(shè)計的高頻變壓器中,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。
 
試制表面貼裝元器件
 
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。試制品的尺寸為2.0mm×1.25mm×0.6 mm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)的阻抗和動畫如圖4所示。試制變壓器將low band(892MHz)轉(zhuǎn)換成12→50Ω,high band(1940MHz)裝換成了19→50Ω。 
 
 
 
 
 
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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,low band和high band都轉(zhuǎn)換成了最合適的阻抗。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行微調(diào),有可能非常容易的就集中在50Ω附近了。(圖5)
 
實裝評價
 
在將這種高頻變壓器進行通信終端實裝的時候,有什么優(yōu)點,安裝跟不安裝的環(huán)境下對天線特性進行比較和評價。
 
使用市場上的夏普智能手機「ISW16SH」型號,在LC電路中進行阻抗整合時的特性,使用試制高頻變壓器進行阻抗整合時的特性,兩者進行比較跟評價。(圖6)
 
 
 
ISW16SH機型在天線部分正下方有USB接口,在嚴格的條件下通過跟該接口連接對天線的電場進行評價。
 
結(jié)果顯示,low band 情況下LC電路和高頻變壓器都不可能達到「S11<-6dB」(反射損耗1.2dB)。而high band情況下,達到「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「Total Efficiency」,low  band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受壓迫。天線小型化和縮小天線空間迫在眉睫。當天線空間的一部分被GND占據(jù),對這時候的天線特性的變化進行評價。天線空間的寬度為52mm,其中13mm被GND占據(jù),low band的特性劣化,變成了跟LC電路等同的Total Efficiency(圖7(b))。這就意味著實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low band和high band阻抗的實體,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進化的,我們堅信該設(shè)備今后必將為此進化作出貢獻。
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