GSM手機雙頻天線的阻抗匹配分析

通常對某個頻點上的阻抗匹配可利用SMITH圓圖工具進行， 兩個器件肯定能搞定， 即通過串+并聯(lián)電感或電容即可實現(xiàn)由圓圖上任一點到另一點的阻抗匹配， 但這是單頻的。而手機天線是雙頻的， 對其中一個頻點匹配，必然會對另一個頻點造成影響， 因此阻抗匹配只能是在兩個頻段上折衷。

在某一個頻點匹配很容易，但是雙頻以上就復(fù)雜點了。因為在900M完全匹配了，那么1800處就不會達到匹配，要算一個適合的匹配電路。最好用仿真軟件或一個點匹配好了，在 網(wǎng)絡(luò)分析儀上 的 S11參數(shù)下調(diào)整，因為雙頻的匹配點肯定離此處不會太遠。只有兩個元件匹配是唯一的，但是 pi 型網(wǎng)絡(luò)匹配，就有無數(shù)個解了。這時候需要仿真來挑，最好使用經(jīng)驗。

仿真工具在實際過程中幾乎沒什么用處。因為仿真工具是不知道你元件的模型的。你必須要輸入實際元件的模型，也就是說各種分布參數(shù)，你的結(jié)果才可能與實際相符。一個實際電感器并不是簡單用電感量能衡量的，應(yīng)該是一個等效網(wǎng)絡(luò)來模擬。本人通常只會用仿真工具做一些理論的研究。

實際設(shè)計中，要充分明白Smith圓圖的原理，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀的圓圖工具多調(diào)試。懂原理讓你定性地知道要用什么件，多調(diào)是要讓你熟悉你所用的元件會在實際的圓圖上怎么移動。（由于分布參數(shù)及元件的頻率響應(yīng)特性的不同，實際件在圓圖上的移動和你理論計算的移動會不同的）。

雙頻的匹配的確是一個折衷的過程。你加一個件一定是有目的性的。以GSM、DCS雙頻來說，你如果想調(diào)GSM而又不太想改變DCS，你就應(yīng)該選擇串連電容、并聯(lián)電感的方式。同樣如果想調(diào)DCS，你應(yīng)該選擇串電感、并電容。

理論上需要2各件調(diào)一個頻點，所以實際的手機或者移動終端通常按如下規(guī)律安排匹配電路：對于簡單一些的，天線空間比較大，反射本來就較小的，采用Pai型（2并一串），如常規(guī)直板手機、常規(guī)翻蓋機；稍微復(fù)雜些的采用雙L型（2串2并）：對于更復(fù)雜的，采用L＋Pai型（2串3并），比如用拉桿天線的手機。

記住，匹配電路雖然能降低反射，但同時會引入損耗。有些情況，雖然駐波比好了，但天線系統(tǒng)的效率反而會降低。所以匹配電路的設(shè)計是有些忌諱的；比如在GSM、DCS手機中匹配電路中，串聯(lián)電感一般不大于5.6nH。還有，當(dāng)天線的反射本身比較大，帶寬不夠，在smith圖上看到各頻帶邊界點離圓心的半徑很大，一般加匹配是不能改善輻射的。

天線的反射指標（VSWR，return loss）在設(shè)計過程中一般只要作為參考。關(guān)鍵參數(shù)是傳輸性參數(shù)（如效率，增益等）。有人一味強調(diào)return loss，一張口要－10dB，駐波比要小于1.5，其實沒有意義。我碰到這種人，我就開玩笑說，你只要反射指標好，我給你接一個50歐姆的匹配電阻好了，那樣駐波小于1.1啊，至于你手機能不能工作我就不管了！

SWR駐波比僅僅說明端口的匹配程度，即阻抗匹配程度。匹配好，SWR小，天線輸入端口處反射回去的功率小。匹配不好，反射回去的功率就大。至于進入天線的那部分功率是不是輻射了，你根本不清楚。天線的效率是輻射到空間的總功率與輸入端口處的總功率之比。所以SWR好了，無法判斷天線效率一定就高（拿一個50ohm的匹配電阻接上，SWR很好的，但有輻射嗎？）。但是SWR不好了，反射的功率大，可以肯定天線的效率一定不會高。SWR好是天線效率好的必要條件而非充分條件。SWR好并且輻射效率（radiation efficiency）高是天線效率高的充分必要條件。當(dāng)SWR為理想值（1）時，端口理想匹配，此時天線效率就等于輻射效率。

當(dāng)今的手機，天線的空間壓縮得越來越小，是犧牲天線的性能作為代價的。對于某些多頻天線，甚至VSWR達到了6。以前大家比較多采用外置天線，平均效率在50％算低的，現(xiàn)在50％以上的效率就算很好了！看一看市場上的手機，即使是名公司的，如Nokia等，也有效率低于20％的。有的手機（滑蓋的啊，旋轉(zhuǎn)的?。┥踔猎谀承╊l點的效率只有10％左右。

見過幾個手機內(nèi)置天線的測試報告，天線效率基本都在30-40%左右，當(dāng)時覺得實在是夠差的（比我設(shè)計的微帶天線而言），現(xiàn)在看來還是湊合的了。不過實際工程中，好像都把由于S11造成的損耗和匹配電路的損耗計在效率當(dāng)中了，按天線原理，只有介質(zhì)損耗（包括基板引起的和手機內(nèi)磁鐵引起的）和金屬損耗（盡管很?。┦窃谔炀€損耗中的，而回損和匹配電路的損耗不應(yīng)該記入的。不過工程就是工程啊，這樣容易測試啊。

對了，再補充一句，軟件仿真在一定程度上是對工程有幫助的：當(dāng)然，仿真的結(jié)果準確程度沒法跟測試相比，但是通過參數(shù)掃描仿真獲取的 天線性能隨參數(shù)變化趨勢還是有用的，這比通過測試獲取數(shù)據(jù)要快不少，尤其是對某些不常用的參數(shù)。

“仿真工具在實際工程中沒有什么用處”，是說在設(shè)計匹配電路時，更具體一點是指設(shè)計雙頻GSM、DCS手機天線匹配電路時。如果單獨理解這句話，無疑是錯的。事實上，我一直在用HFSS進行天線仿真，其結(jié)果也都是基于仿真結(jié)果的。

對了，焊元器件真的是一件費勁的事，而且也有方法的，所謂熟能生巧嘛。大的公司可能給你專門配焊接員，那樣你可能就只要說焊什么就可以了。然而，我們在此討論的是如何有效地完成匹配電路的設(shè)計。注意有效性！有效性包括所耗的時間以及選擇元器件的準確性。 如果沒有實際動手的經(jīng)驗，只通過軟件仿真得出一種匹配設(shè)計然而用到實際天線輸入端。呵呵，我可以說，十有八九你的設(shè)計會不能用，甚至和你的想象大相徑庭！

實際設(shè)計中，還有一種情況你在仿真中是無法考慮的（除非你事先測量）。那就是，分布參數(shù)對于PIFA的影響。由于如今天線高度越來越小，而匹配電路要么在天線的下方（里面）要么在其下方（外面），反正很近，加入一個實際元件在實際中會引入分布參數(shù)的改變。尤其如果電路板排版不好，這種效應(yīng)會明顯一些。實際焊接時，甚至如果一個件焊得不太好，重新焊接一下，都會帶來阻抗的變化。

所以，PIFA的設(shè)計中，通常我們不采用匹配電路（或者叫0ohm匹配）。這就要求你仔細調(diào)節(jié)優(yōu)化你的天線。一般來說對現(xiàn)今的柔性電路板設(shè)計方案（Flexfilm）比較容易做到，因為修改輻射片比較容易。對于用得比較多的另一種設(shè)計方案沖壓金屬片（stamping metal），相對來說就比較難些了。一是硬度大，受工藝的限制不能充分理由所有空間，二是模具一旦成型要多次修改輻射片的設(shè)計也很困難。

在匹配設(shè)計上仿真工具有沒有很大的用處，沒多少人是可以用仿真工具算出匹配來的。 再說，有沒有很大效果怎么衡量呢？ 工程上講究的是快速，準確。為了仿真而仿真，沒有實際意義。為了得到一個2、3、最多5個件的匹配你去建立電感、電容的模型，不太值的。還有，你如何考慮上面我提到的PIFA匹配的分布參數(shù)的改變？前面我還說到一些匹配電路的忌諱，不是源于理論，完全源于實踐。因為天線的設(shè)計是希望能提高它的輻射效率（總效率）！我沒有成功地在1小時內(nèi)通過仿真工具找到過準確的匹配電路（就說GSM、DCS）雙頻的吧，（實際中用視錯法是可以的）。