小型无线设备天线与定向片上天线技术研究

小型无线设备天线与定向片上天线技术研究

内容简介：随着无线通信的发展,天线成为无线设备中一个重要的组成部分,当无线设备小型化后,天线设计遇到了许多挑战,这些挑战体现在三个方面,首先是小天线设计,从半波长天线到四分之一、八分之一波长天线,从鞭状天线到低剖面天线,从自由空间天线到高介质天线,天线的体积不断缩小；其次是宽带天线设计,由于无线应用所需的信道容量不断增加,天线的工作带宽从几MHz发展到几GHz；最后是高增益天线设计,为了扩大天线的辐射范围,具有高增益的天线阵技术获得了迅速发展。除了天线设计的挑战,无线设备也带来了一些新的问题,例如手机天线需要与手机的整体设计同步进行,不能选择作为最后的设计；片间无线互连天线对周围电路的干扰,等等。本论文对天线的研究主要包括如下内容:
　　 提出了针对具有有限地天线的设计方法。折叠手机和滑盖手机具有两个有限地平面,文章通过仿真结果和模型机的测试结果研究具有不同角度和比率的两个有限地平面对天线带宽、谐振频率、谐振中心频率回损、增益和方向图的影响,测试结果显示试验手机的TRP(Total Radiated Power)和TIS(Total Isotropic Sensitivity)满足CTIA(the Cellular Telecommunications and Internet Association)的要求。通过研究将几个天线集成在一个有限地平面上,设计一个具有PIFA(PlanarInverted-F Antenna)、IFA(Inverted-F Antenna)和MONOPOLE的双SIM(SubscriberIdentity Module)卡手机,其主电路板尺寸为105mm×45mm,通过优化天线的位置和调整天线尺寸来增加三个天线间的隔离度。PIFA和MONOPOLE支持GSM(Global Systemfor Mobile communications)应用,它们的TRP和TIS都满足CTIA标准,IFA支持Bluetooth,其最高增益为3.79dBi。
　　 提出了双频同轴串馈天线阵设计。该天线阵由基频辐射同轴段、倍频辐射同轴段和末端调节同轴段组成。由于倍频的关系,倍频辐射同轴段的数量必须为偶数,天线阵的两个工作频段的增益可分别调整。出于实验目的,设计一个工作于900MHz和1800MHz的双频串馈天线阵,其S11在900MHz和1800MHz分别为-24.8dB和-14.3dB,带宽为830-1020MHz和1700-1970MHz(以-5dB S11为标准),在水平面具有很好的全向性。该天线阵具有结构简单和费用低的优点,很适合小型中继器的GSM900(880-960MHz)/DCS1800(1710-1880MHz)应用。
　　 提出了24GHz阶梯反射定向片上天线设计。该天线使用标准0.18um6层金属CMOS工艺制造,它由激励极子和反射极子构成,通过调节反射极子的数量、间隔和臂宽,成功改变了激励极子的方向图,以抑制天线向芯片内电路的辐射。测量结果显示阶梯反射定向片上天线在24GHz具有6.25dBdc增益,其带宽为19.92-27.60GHz(以-6dBS11为标准)。本设计方法简洁,非常适用于芯片间的无线互连。

作者：江波涛,

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