第三章 應用於手機之七頻可調頻天線
3.1 七頻可調頻天線設計
3.1.2 增加頻段之耦合設計
(i)天線設計(Layout)：
圖 3.5 多頻迴路天線平面結構示意圖
圖 3.6 多頻迴路天線側視圖
在本節中，多頻迴路天線加入 coupling strip 後平面結構圖如圖 3.5 所示，
在不改變天線整體架構下，但又為了提升低頻的頻寬，我們嘗試著在天線底下的 另一面空曠地方，加入一段 strip，並將其設計在四分之一波長共振於 GSM850 的頻段，在此設計中，我們必須先找到原本天線輻射電流夠強之處，然後經由直 接的耦合，使其能夠達到我們的需求，但在為了滿足低頻需求下，此設計勢必也 會為高頻帶來影響，但這節中僅先探討如何保有低頻的頻寬，於下一節，再來調
整高頻的要求頻寬。
圖 3.7 模擬加入 coupling strip 之反射損失圖
圖3.7為加入coupling strip之後所模擬之反射損失圖。由於3.1.1節所設 計之原始天線在低頻的操作頻率範圍在 710 MHz 至 800 MHz (參考圖3.4) ，以 3：1 VSWR作定義，大約可操作於LTE(694 MHz - 806 MHz)頻帶，在經過本節所 提出的coupling strip設計後，使其在6dB頻寬擴增為1700 MHz- 2700 MHz，使 此迴路天線的低頻涵蓋到LTE700/GSM850，在6dB阻抗頻寬下，低頻大幅度提升為 710 MHz -880 MHz，而且高頻並沒有因為此coupling strip的加入而產生太大的 變動，於是我們可以在下一節中著墨於如何提高高頻的匹配以達到我們所需求的 頻寬。
3.1.3 提升頻寬的匹配設計:
(i)天線設計(Layout)：
圖 3.8 多頻迴路天線平面結構示意圖
圖 3.9 多頻迴路天線側視圖
在本節中，多頻迴路天線加入 tuning Lstrip後平面結構圖如圖 3.8 所示，在 不改變天線整體架構下，但又為了提升高頻的 6dB 阻抗頻寬，我們嘗試著在洗在 FR4 上之天線彎曲線段上，多加了一段 Lstrip來調整，經由此長度的變化，確實可 以看到對高頻的阻抗匹配有相當大的影響，而且低頻原本的頻寬並沒有受到太大 的變化，是可以被接受的範圍之內，於是我們將針對 Lstrip長度變化來進行模擬，
調整出我們理想中的高頻頻寬設計。
圖 3.10 模擬加入 L_strip 之反射損失圖
如圖3.10 所示，這是在原本的天線主體上加上一段tuning Lstrip後所得到的 模擬結果，當長度為14mm時，我們發現在1.7GHz到2.2GHz之間的頻段，有獲得明 顯的阻抗匹配，因此，我們決定將長度增加為17mm，發現匹配有變更好的趨勢，
但是當長度增長為20mm時，匹配雖然做得更好了，但卻犧牲了頻寬，頻寬有明線 的縮小，在此狀況下已經不夠於我們的頻寬需求，因此我們將決定17mm為我們最 後所設計的Lstrip，在下一節中將會加入開關Pin diode的設置，以期許達成我們 的調頻需求。
3.1.4 天線與開關電路的整合：
(i)天線設計(Layout)：
圖 3.11 七頻可調頻迴路天線立體結構示意圖
圖 3.12 七頻可調頻迴路天線平面結構示意圖
圖 3.13 七頻可調頻迴路天線平面結構示意圖
這是本章最後所提出的完整天線架構圖，經由一連串的天線設計以及 調頻開關機制的設計，讓兩者整合後所得到架構圖如圖3.12 所示，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3.12 中，經由饋入線饋入訊號後，訊號經由此天線迴圈的輻射 體輻射，並且這時開關的Pin diode呈現沒有導通的狀態，將可使我們得到 低頻LTE700(694MHz-806 MHz)與GSM850(824MHz-894MHz)兩個頻段的需求，
在 輸 入 偏 壓 後 ， 開 關 的 Pin diode 呈 現 導 通 狀 態 ， 這 時 低 頻 操 作 於 GSM850(824MHz-894MHz)與GSM900(880MHz-960MHz)兩個頻段，並且在這兩 種情況時，高頻依舊能夠維持在GSM1800/GSM1900/UMTS2100/WLAN2.4G 這 四個頻段，使得我們的設計能夠達成此一應用於手機之七頻可調頻的天線。
圖 3.14 模擬五頻可調頻迴路天線之反射損失與頻率響應圖
圖 3.15 量測五頻可調頻迴路天線之反射損失與頻率響應圖
在要滿足七頻可調頻的規格下，七頻可調頻天線的模擬與量測結果如圖 3.14 與圖3.15。圖3.14 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 LTE700/GSM850 與 GSM1800/1900/UMTS2100/WLAN2.4G ， 開 關 導 通 後 ， 天 線 之 6-dB 阻 抗 頻 寬 可 滿 足 GSM850/GSM900 與 GSM1800/1900/UMTS2100/WLAN2500，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3.15 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，而且整體的6-dB阻抗頻寬，低頻可分 別滿足LTE700(694MHz-806MHz)/GSM850/900(824-894 MHz, 880-960 MHz)，高 頻可滿足GSM1800/1900/UMTS2100/WLAN這四個頻段，且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。
3.1.5 天線場型的量測與效率
本節中，將以最後所設計的七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) (d)
表3.1 開關前後量測之效率表
(a)開關前後之低頻效率前半部 (b)開關前後之低頻效率後半部 (c)開關前後之高頻效率前半部 (d)開關前後之高頻效率後半部
(a) (b)
(c)
圖 3.16 750MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 3.17 850MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 3.18 900MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 3.19 1800MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 3.20 1900MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a)
(b)
(c)
圖 3.21 2100MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane
(a) (b)
(c)
圖 3.22 2500MHz 的輻射場型 (a)x-y plane(b)x-z plane (c)y-z plane 表3.2 天線各頻段之平均增益跟最大增益
Average gain (dB) Peak gain (dB)
頻率 XY-plane XZ-plane YZ-plane XY-plane XZ-plane YZ-plane 750 -3.54 -3.01 -4.47 -0.34 -1.33 -1.46 850 -4.87 -2.46 -3.24 -1.91 -1.97 -1.59 900 -3.13 -1.45 -3.59 -0.14 -0.46 -1.32 1800 -1.51 -2.67 -2.53 2.3 -0.48 2.53 1900 -2.49 -2.51 -2.12 1.87 -2.32 -0.58 2100 -2.32 -2.84 -3.12 -0.78 -0.14 -0.87 2450 -2.17 -2.04 -1.89 -0.24 -0.41 0.73