第二章 應用於手機之五頻可調頻天線
2.2 五頻可調頻天線設計 II
2.2.1 多頻的迴路天線架構(Layout)：
圖 2.20 多頻迴路天線立體結構示意圖
圖 2.21 多頻迴路天線平面結構與側視圖
本節所提出的立體迴路天線結構如圖2.20 所示，平面結構如圖2.21。此天
線輻射體體積為 40*10*8mm3，並設計製作在一雙層金屬面的介電材料(FR4)板 上。本論文中所使用的板材為FR4板，板材參數設定如下：
介電常數 (Dielectric constant εr)：4.4 損耗正切 (Loss tangent tanδ)：0.02 導體金屬，導電係數：銅(copper)，5.88×107 基板厚度：0.8mm
上層金屬面包含：輻射主體；下層為接地金屬面，接地面面積為40 X 100mm2。 饋入點以一cable線經由feeding端饋入，並在shorting端打一個via接至接地面 完成一迴路天線的設計。
圖 2.22 模擬迴路天線之反射損失與頻率響應圖
圖2.22 為在接地面的完整性下所設計之多頻迴路天線模擬之反射損失 圖，操作的頻帶之阻抗頻寬在此以 6dB 作定義。從圖中可以非常清楚的看出低 頻的操作頻率範圍約在 830 MHz 至 890 MHz，阻抗頻寬為60 MHz，然後高頻的 頻寬還非常的不夠，但可以看出有兩個共振模態是我們所需要的，下一步就是做 好阻抗匹配來得到我們所需求的阻抗頻寬，這三個模態也如迴路天線的特性一 般，分別由基頻的設計得到我們想要的高頻倍頻，於是將以圖2.15 的結構為基 礎，設計出一可調頻的手機五頻天線。下一節中，我們將會著墨於高頻的匹配設 計來達成本隻天線所需求的頻寬。
2.2.2 提升頻寬的匹配設計(Impedance matching) (i)天線設計(Layout)：
圖 2.23 多頻迴路天線加入三角之平面結構與側視圖
由圖2.22看出一開始的天線架構分別有三個頻率共振點，而且也座落於我們 所想要的頻率範圍內，現在所要做的就是調整高頻的阻抗匹配，使其達成我們的 五頻可調頻需求。由上圖2.23中，我們調整的位置在於三角缺口的位置，她是一 個長方形的缺口，我們將它呈現一個Tapered的設計，在此設計中，當Langle的長 度慢慢增加時，會發現在第二個頻率點他會有比較好的阻抗匹配，達成第一階段 的頻寬改善設計，改善過後的反應損失與頻率響應圖如下圖所示。
圖 2.24 模擬加入 L_angle 之反射損失與頻率響應圖
(ii)天線設計(Layout)：
圖 2.25 多頻迴路天線加入三角與一 strip 之平面結構與側視圖
如圖2.25 所示，這是進行阻抗匹配的第二步，由圖2.24 可看出雖然在高頻 的兩個頻率共振點位於我們所需求的頻寬上，但兩個頻率點之間的匹配不是很 好，因此我們調整了下一個參數Ltune，經由改變Ltune的長度，當Ltune與它下面的stirp 長度越接近時，高頻整體的匹配將越來越好，最後我們將兩個strip的長度調為 一樣，在此狀況下，高頻的5dB阻抗頻寬可以達到 1710MHz-2170MHz，如下圖2.19 所示，雖然不足6dB的阻抗頻寬，但在最後量測的結果是足夠可以在業界使用的 標準之內。
圖 2.26 模擬加入 L_tune 之反射損失與頻率響應圖
2.2.3 天線與開關電路的整合(Layout) 天線設計(Layout)：
圖 2.27 五頻可調頻迴路天線平面結構示意圖
圖 2.28 五頻可調頻迴路天線平面結構參數示意圖
最後，接地面完整性的五頻可調頻天線架構如上圖2.27 所示，完整的 參數圖如圖2.28 所示，與前一節的調頻開關電路相同，在此設計配置下，
中間的三塊黑色小區塊，即是用來分別放置L、C以及Pin diode，因為Pin diode需以大於0.7V的偏壓去啟動它，故以L=50nH來當做RF block，C=20nF 來隔絕DC，其中電感與電容都是採用0402的規格。
在圖2.27中，將LC元件、Pin diode與天線整合後，然後經由饋入線 饋入，當Pin diode處於open狀態，即是沒有輸入偏壓的狀態，此時低頻 GSM850與高頻的頻段由整段的天線路徑貢獻。然而，當Pin diode處於off 的狀態時，亦即輸入偏壓使其導通，此時饋入的訊號將會因為開關導通而 提早短路下地，因而使電流繞行的路徑變短，進而達到調頻的效果，達成 此天線的設計需求。
模擬與量測結果：
圖 2.29 模擬五頻可調頻迴路天線之反射損失與頻率響應圖
圖 2.30 量測五頻可調頻迴路天線之反射損失與頻率響應圖
在接地面的完整性條件下，五頻可調頻天線的模擬與量測結果如圖2.29 與圖2.30，圖2.29為模擬圖，由此圖可看出開關導通前，天線之6-dB阻抗頻 寬滿足GSM850與GSM1800/1900/UMTS2100，開關導通後，天線之6-dB阻抗頻 寬可滿足GSM900與GSM1800/1900/UMTS2100，確實具有頻率可調的效果。雖 然高頻有些許部分不到-6dB，但可以再對照量測的結果。
圖2.30為實際量測圖，雖與模擬有些誤差，但調頻的效果確實有達到，
且整體的6-dB阻抗頻寬，低頻可滿足GSM850/900(824-894 MHz, 880-960 MHz)，雖然高頻在GSM1800/1900/UMTS2100這三個頻段中似乎無法完全的滿 足，但在下一節會有所量測到的效率以及場型圖，可證明此天現在業界是具
有其實際效用的。
2.2.4 天線場型的量測與效率
本節中，將以最後所設計的五頻可調頻天線量測其重要的效率及場型圖，
在目前手機天線的應用上，實際上所量到的效率比起各個平面的場型圖還要來 的重要，因此會先附上在天線量測實驗室中所量得的效率，以下即為完整的效 率表及場型圖，都有不錯的表現。
(a) (b)
(c)
表2.3 開關前後量測之效率表 (a)開關前後之低頻效率 (b)開關前後之高頻效率前半部 (c)開關前後之高頻效率後半部
(a) (b)
(c)
圖 2.31 850MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 2.32 900MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 2.33 1800MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 2.34 1900MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 2.35 2100MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
表2.4 天線各頻段之平均增益根最大增益
Average gain (dB) Peak gain (dB)
頻率 XY-plane XZ-plane YZ-plane XY-plane XZ-plane YZ-plane 850 -4.78 -2.67 -3.37 -0.67 -0.32 -2.3 900 -4.12 -2.5 -3.23 -1.53 -0.13 -1.89 1800 -3.56 -2.34 -3.27 -1.42 -1.13 -1.78 1900 -3.17 -2.46 -2.89 -0.25 -1.07 -1.34 2100 -3.2 -2.75 -3.14 -0.78 -1.01 -1.03