介紹MDTV用變頻晶片電介質天線的電感器選定示例

2020-12-03 電子發燒友

近年的無線電終端裝配了多個無線電通信系統，以智慧型手機為代表的多功能化不斷發展。由於各種無線電通信系統所使用的頻段都不相同，因此必須分別準備天線。為了在手機終端內的有限空間裝配多個天線，要求天線實現小型化。天線是根據所使用的頻率波長設計的，因此，頻率越低波長就越長，天線也就越大。

尤其是MDTV (ISDB-T/CMMB/DVB-H) 用天線，因為使用UHF頻段 (470-800MHz) ，所以天線很難實現小型化。可以通過用電感器調整諧振頻率的方法實現小型化，但是需要選定考慮到天線特性惡化的零件。此外，已開始使用的LTE也要求天線能夠涵蓋700MHz頻段和多個波頻帶。尤為引人注目的一項技術是切換方式，即用開關等切換1個天線單元，從而改變頻率。該切換方式有時也採用集中常數 (電感器、電容器) ，與開關一起調整頻率。

本文將介紹MDTV用變頻晶片電介質天線的電感器選定示例。變頻晶片電介質天線改變天線的諧振頻率，涵蓋了超過相對帶寬50%的470-800MHz頻段。採用變容二極體來改變頻率，按頻道切換頻率。由於本天線實現了小型化，因此可以採用LQW系列，內置於手機終端內。

圖1: Appearance of Antenna

圖2: Return Loss Curve

用於天線的電感器的選定方法

以調整頻率為目的在天線上使用電感器時，為了避免使天線的輻射特性惡化，必須選定可以提高Q值、降低插入損失的電感器。此外，為了減少諧振頻率的標準離差，電感器的偏差越小越好。除此之外，具備豐富的常數值種類也是一個選定因素。天線容易受外圍環境的影響，每次改變終端內部規格都必須仔細調整頻率。

下一項就電容器的Q值對天線特性的影響和偏差引起的頻率標準離差，介紹應用到變頻晶片電介質天線上的事例。 

各種電感器的天線的輻射特性

圖3、4表示SimSurfing中登載的各種電感器的Q值和R的頻率特性。圖3、4例舉了10nH的電感器的結果。可見，與LQG系列相比，LQW系列是Q值特性較高、插入損失較低的電感器。

圖3: Q characteristics for 10nH

圖4: R characteristics for 10nH

圖5表示改變了變頻晶片電介質天線的電感器種類時的天線的輻射效率。由於變頻晶片電介質天線採用了多個電感器，因此將產生大約1dB的效率差。應用LQW系列可以最大限度地抑制輻射效率的惡化。使用的電感值越大，電感器的ESR (等效串聯電阻: Equivalent Series Resistance) 就越增加，因此也必須慎重地選定電感器的種類。

*改變了多個電感器種類的結果。圖5: Antenna Radiation Efficiency

電感器的偏差引起的頻率變動

MDTV的每個channel都分配了6～8MHz頻段。視聽時，需要涵蓋該頻段的天線特性。天線的諧振頻率變化的主要原因有各種公差和偏差，還有電極類輻射元件的公差、裝配到印製電路板上時的錯位、插入到終端時的標準離差等。要求在設計天線時，能夠考慮到上述因素，保證必要的頻段。因此，要使用的電感器也必須選定偏差較小的品種。

圖6、7表示使電感器偏差為±2%和±5%時的變頻晶片電介質天線的反射損失波形。如果使用±2%的電感器，即使諧振頻率改變，也可以涵蓋必要的頻段; 使用±5%的電感器時，在必要頻段以外，諧振頻率將會移動，輻射特性將會惡化。

圖6: Return Loss for ±2% Tolerance

圖7: Return Loss for ±5% Tolerance

圖8表示通過模擬得到的輻射效率特性。對於Mkr1，假設電感器偏差為±2%時，輻射效率惡化量為Max.0.04dB左右; 假設為±5%，將惡化Max.0.37dB左右。這是所使用的電感器始終均為達到偏差界限的產品時的示例，為了努力提高天線的輻射特性，最好事先選定偏差較小的電感器。

圖8: Antenna Radiation Efficiency

總結

天線首先要求具備良好的輻射效率。為此，如上所述，必須慎重地選擇要使用的電感器。

此外，內置於終端的最近的小型天線，其特性將根據要裝配的設備的狀況 (設備的尺、天線的場所、外圍零件的配置等) 而變化。

因此，在第一次試製、第二次試製和各個試製階段，天線特性都將根據外圍環境的變化而變化。在這種情況下，每次都重新製作天線是不現實的，可以將供貨品種繁多的電感器作為調整元件加以有效利用，靈活地應對這種變化。今後也要求天線設計更加靈活，可以用LTE、WLAN等切換多個頻帶，並抑制MIMO系統的天線間結合，有效利用集中常數。

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