今天我們一起來學習一篇關于手機天線設計的論文，論文作者是Munyong Choi, Hyunho Wi, Byeonggwi Mun, Yonghyun Yoon, Hyunwoo Lee, and Byungje Lee，作者來自于BYD公司和韓國Kwangwoon University。
智能手機現在已經很普及了，上到80歲老人，下到幾歲孩童，都可能用到智能手機。手機天線，作為手機接收和發射信號的元件，在手機中起著重要的作用，一款好的手機天線，更是相當重要。隨著移動通信的發展，手機所要支持的頻段會越來越多，尤其是5G時代。
我們看一下最新發布的小米11手機，到底需要支持多少個頻段呢？從最初的2G到現在的5G都要支持，包括2G通信系統的GSM和CDMA，3G通信系統的WCDMA和CDMA EVDO，4G的FDD-LTE和TDD LTE，當然也必須支持5G，共計36個頻段。當然這里面不同制式的頻段是重合的，可能可以共用一款天線，從幾百兆赫茲到幾個吉赫茲詳情請參考《5G頻段大全》
這么多的發射接收頻段，對天線的設計也增加了不少的難度，而且要在手掌大小的手機上實現，設計難度可想而知。
今天我們透過這篇論文一起看一下，這么多的手機頻段，天線到底是如何設計的？
這篇論文發表于2015年，當時還是4G的時代，因此論文所述天線主要是應用于4G手機，其所支持的頻段也不像目前手機這么多，但是對我們讀者了解學習手機天線，還是有一定的參考意義的。
論文的前言中，介紹了手機天線的設計要點，和設計難點：帶寬寬，尤其對于低頻頻段，相對帶寬超過了30%；頻段多，從低頻600MHz到高頻2.7GHz，體積小，而且效率高。
接著引出了論文所提出的一款5頻FIPA天線。這5個頻段包括GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA。天線示意圖如下圖所示，該天線具有兩個窄縫和接線引腳，該 PIFA 印刷在具有兩個狹縫的天線支架上。外殼（環氧樹脂 SLA 樹脂 + 聚丙烯酸酯；= 3.13, ）的尺寸為 126 × 66 × 8.9 mm 3。基板（FR-4; ，）具有7×62×1mm的整體尺寸3，和PCB接地平面具有的115×62×1mm的整體尺寸3，這是基于在商業智能手機的大小. 天線支架（環氧樹脂 SLA 樹脂 + 聚丙烯酸酯；，) 的體積為 62 × 8 × 5 mm3。
圖2 給出了這款天線的仿真駐波示意圖，文章中以VSWR<3作為設計參考，可以支持除了LTE頻段外的GSM850/ 900/ DCS/ PCS / WCDMA頻段。通過結合 PIFA 模式和兩個狹縫模式，實現了多波段操作和寬帶寬。經驗證，表面電流分布如圖3所示。GSM850/900 頻段由 PIFA 的基本諧振模式覆蓋，如圖3(a) 所示。DCS/PCS/WCDMA 頻段與狹縫 1 和狹縫 2 的半波長狹縫諧振模式相結合，如圖3(b)和3(c) 所示， 分別。PIFA 的 3 次諧波諧振模式在 3 GHz 左右實現，如圖3(d) 所示。圖4以展開視圖示出了每個諧振模式的電流路徑，如圖1(c)所示。所提出的五波段 PIFA 的每個諧振模式都是在每個諧振頻率上獨立實現的。圖5顯示了不同a、b和c長度的模擬，如圖1(c) 所示。圖5(a)和5(b)表明，通過改變a和b的長度，阻抗可以在 1800 MHz 和 1900 MHz 附近匹配，因此 DCS/PCS/WCDMA 頻段很容易通過優化調整a和b的長度來實現。圖5(c)顯示了所提出的天線的諧振頻率可以由c的長度控制。當c的長度增加時，較低和較高頻帶的諧振頻率向下移動。雖然提出的五頻段 PIFA 在緊湊的體積內具有寬帶寬和多頻段操作，但并未涵蓋低頻 LTE 頻段和高頻 LTE 頻段，如圖2所示. 為了覆蓋整個 LTE 頻段，在低頻 LTE 頻段（699-862 MHz）需要額外的諧振模式，并且需要在 3026 MHz 的五頻段 PIFA 的 3 次諧波諧振模式來移動高頻LTE 頻段（2496–2690 MHz）。在下一節中，通過嵌入接地引腳和兩個 PIN 二極管，提出了與所提出的五頻段 PIFA 相結合的頻率可重構天線，以覆蓋 3G 服務頻段（GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 頻段）和整個范圍LTE 頻段。
圖3 給出了該天線的表面電流分布
接下來，神奇之筆來了，通過嵌入接地引腳和兩個 PIN 二極管，提出了與所提出的五頻段 PIFA 相結合的頻率可重構天線，以覆蓋 3G 服務頻段（GSM850/ 900/ DCS/ PCS/ WCDMA 頻段）和整個范圍LTE 頻段。
五頻段 PIFA 是為 GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA 頻段設計的，3 次諧波諧振模式發生在 3 GHz 附近。為了額外覆蓋低頻 LTE 頻段和高頻 LTE 頻段，建議的五頻段 PIFA 首先修改為更長的c長度和一個額外的接地引腳，如圖6所示。c的長度略微增加到 11.4 mm，而天線高度和支撐沒有增加。如圖5(c) 所示，五波段 PIFA 的諧振頻率隨著c的長度向下移動增加。在右上方增加了一個額外的接地引腳，因此修改后的五波段 PIFA 的諧振頻率進一步向下移動，如圖7所示。然后，最終將兩個PIN二極管（PIN二極管1和PIN二極管2）嵌入建議天線的左上側和右上側作為接地引腳，如圖8（a）所示。圖8(b)和8(c) 分別顯示了沒有/有外殼的建議天線的照片。圖9顯示了模擬的建議的天線與開關技術。對于狀態 1（PIN 二極管 1：ON 狀態，PIN 二極管 2：OFF 狀態），建議的天線工作在低頻 LTE 頻段、DCS/PCS/WCDMA 頻段和高頻 LTE 頻段。觀察到，通過使用增加的c長度（11.4 mm）和右上方的額外接地引腳，一階和三階諧波諧振模式現在向下移動以分別覆蓋低頻 LTE 頻段和高頻 LTE 頻段邊。對于狀態 2（PIN 二極管 1：OFF 狀態，PIN 二極管 2：ON 狀態），GSM850/900 頻段由 PIFA 的諧振模式操作，其中接地引腳連接到右上方的 PIN 二極管 2。圖10(a)和10(b)分別顯示了擬議天線在低頻 LTE 頻段（狀態 1）中的 780 MHz 和 GSM850/900 頻段（狀態 2）中的 920 MHz 處的模擬表面電流分布。值得注意的是，建議的天線在每個狀態（狀態 1 或狀態 2）下獨立運行。圖11(a)和11(b)還分別顯示了擬議天線的模擬表面電流分布，包括低頻 LTE 頻段（狀態 1）中的 780 MHz 和 GSM850/900 頻段（狀態 2）中的 920 MHz 的接地平面。觀察到地平面上的表面電流強度遠低于輻射體上的強度，因此所提出的天線的輻射效率不受用戶手部效應的顯著影響。通過在右上方增加一個接地引腳來增加電流路徑的長度，并通過開關技術結合兩種工作狀態（狀態 1 和狀態 2），實現了低頻段的寬阻抗帶寬。所以，提議的天線可以有效地覆蓋整個 LTE 頻段范圍以及現有的商業頻段（GSM850/900/DCS/PCS/WCDMA），同時符合嚴格限制的天線體積。為了證明所提出的天線切換方案的有效性，所提出的具有兩個 PIN 二極管和偏置網絡的天線的設計如圖所示12 . 使用紐扣電池將偏置電壓設置為 3 V。在偏置網絡中，R 1和R 2電阻用于控制偏置電流，C 1和C 2電容器用于隔直，和電容器用于旁路，L 1和L 2電感器用于射頻扼流。偏置網絡中每個組件的值如下：R 1 = R 2 = 300 Ω，C 1 = C 2 = 100 pF，= = 100 pF，并且L 1 = L 2 = 100 nH。在正向偏置狀態下，PIN 二極管的串聯電阻在 10 mA 時最大為 0.5 Ω。SKYWORKS 的 SMP1322-040LF 用于將由于 PIN 二極管的串聯電阻引起的耗散功率損耗降至最低 [ 10 ]。圖13(a)顯示了對建議天線的模擬和測量。模擬結果與實測結果吻合良好。圖13(b)和13(c)顯示分別針對低頻段和高頻段模擬和測量的總效率。對于所有工作頻段，建議的天線總效率大于 40%。天線效率是根據 CTIA 3.3 [ 11 ]在 HOWLAND 的 OTA 室中測量的，這對于工業中的實際移動手機天線應用來說通常是可以接受的 [ 12 ]。圖14(a)、14(b)、14(c)和14(d) 分別顯示了在 800 MHz、920 MHz、1950 MHz 和 2600 MHz 下模擬和測量的輻射圖。模擬和測量的結果吻合得很好。
這篇論文提出了一種緊湊的頻率可重構多頻段天線，以在 8 × 62 × 5 mm 3 (2.48 cc)的非常小的天線體積內覆蓋大多數商業 3G/4G 移動應用。在有限的天線體積 (8 × 54.6 × 5 mm 3; 2.18 毫升）。然后，結合改進的五頻段 PIFA，優化添加了兩個 PIN 二極管和一個額外的接地引腳，并且建議的天線也可以覆蓋整個 LTE 頻段范圍。對于狀態 1，建議的天線覆蓋低頻 LTE 頻段、DCS/PCS/WCDMA 頻段和高頻 LTE 頻段。對于狀態 2，它涵蓋 GSM850/900 頻段。對于所有工作頻段，建議天線的總效率大于 40%。因此，本文提出的緊湊型頻率可重構天線有望廣泛用作手機天線。
隨著手機所要支持的頻段越來越多，手機天線也會越來越復雜。出去論文中所給出的用于通信的天線之外，手機天線還包括藍牙天線，GPS天線，NFC天線等等。
