近年來(lái)安裝在移動(dòng)通信終端的移動(dòng)通信天線(xiàn)的設計難度逐漸增高。隨著(zhù)LTE這種新型通信方式的增加，寬頻帶的使用越來(lái)越廣泛。另一方面，由于二次電池等大型化的因素，可使用空間（天線(xiàn)/領(lǐng)域）縮小了。因此，天線(xiàn)的小型化成了當務(wù)之急。但是，如果天線(xiàn)被小型化的話(huà) ，就意味著(zhù)天線(xiàn)的阻抗和RF電路的輸入和輸出阻抗（50Ω系）相比的話(huà)會(huì )變低，這就意味著(zhù)將RF電路跟天線(xiàn)阻抗通過(guò)全通信帶寬整合起來(lái)是非常困難的。

 

 

目前在實(shí)施阻抗整合時(shí)，一般使用電感器（L）、電容器（C）等LC元器件。但是，LC元器件電抗中具有頻率特性，整合阻抗后的天線(xiàn)Q值會(huì )劣化，頻帶寬會(huì )減小。

 

這里阻抗轉換時(shí)對于頻率特性難以呈現的材料來(lái)說(shuō)，就以主要在低頻領(lǐng)域中使用的變壓器來(lái)舉例吧。變壓器是通過(guò)結合磁場(chǎng)的2個(gè)線(xiàn)圈（變壓器、線(xiàn)圈）的電感（L值）的比率達到變換阻抗，所以不能保障理想狀態(tài)下的頻率特性。因此我們考慮到將其使用到阻抗的整合當中。

 

 

移動(dòng)通信的天線(xiàn)中使用變壓器會(huì )遇到3點(diǎn)問(wèn)題。

 

（1）微波頻段中由于“磁性材料的滲透性≒1”，因此很難達到高結合系數；

 

（2）天線(xiàn)的輸入阻抗很小會(huì )導致變壓器損耗影響大；

 

（3）天線(xiàn)輸入阻抗值會(huì )因為頻帶不同而產(chǎn)生變化。

 

正因為存在這些問(wèn)題，至今為止移動(dòng)通信天線(xiàn)的阻抗整合中一直不使用變壓器。而我們通過(guò)獨有的方法解決了這一問(wèn)題。

 

結合系數是指構成變壓器的2個(gè)變壓器、線(xiàn)圈間的距離以及由線(xiàn)圈導致的磁束形狀相關(guān)性而產(chǎn)生的變化。一邊維持高結合系數一邊控制變壓比，因此變壓、線(xiàn)圈的形狀達到了統一的狀態(tài)，從而開(kāi)發(fā)了每個(gè)線(xiàn)圈的L值都能自由控制的構造。

 

這種構造在LTCC（低溫共燒陶瓷）內構造而成，可在變壓器和線(xiàn)圈間的距離為數十μm的情況下制成。即使在微波頻帶中也可將變壓器的結合系數控制在0.7以上。

 

 

把高頻變壓器跟具有10Ω阻抗的天線(xiàn)連接，由于變壓器本身的材料特性產(chǎn)生的插入損耗（插入損耗）比起跟50Ω連接的高頻器件相對較大。因此，一般低頻中使用的具有大L值和阻抗成分的變壓器在高頻下難以使用。

 

為了削減這種阻抗成分并維持變壓比，我們采用了圖1所示的高頻變壓器的構造。該構造跟普通的變壓器構造相反，它將接地連接端口跟天線(xiàn)連接端口完全逆反。因此，才能達到如圖1所示的變壓比。使用該構造的話(huà)，因結合產(chǎn)生的互感M值會(huì )反應到變壓器，變壓器中使用的線(xiàn)圈L值會(huì )減小，由于高頻變壓器的阻抗成分I.L.可以被抑制得很小。

  

 

                                                   

 

移動(dòng)通信天線(xiàn)中使用的通信帶寬以1GHz為界限分為低領(lǐng)域“low band”和高領(lǐng)域“high band”兩種。開(kāi)放型天線(xiàn)中一般來(lái)說(shuō)low band中為天線(xiàn)的基本波而high band中為天線(xiàn)的高頻波。天線(xiàn)內部沒(méi)有安裝短針等組抗整合功能時(shí)，low band的阻抗為10Ω左右，high band的阻抗為19Ω左右。

 

如果在這樣的天線(xiàn)中安裝一定變壓比的變壓器，是不能只整合一個(gè)band的阻抗的。所以，天線(xiàn)用變壓器，必備的設計需求是要使變壓比適應天線(xiàn)的阻抗頻率特性。這種適應方法如圖2所示，是一種將理想的變壓部分和寄生成分部分分解開(kāi)來(lái)的等效電路。

 

 

 

此次開(kāi)發(fā)的變壓器構造的寄生成分分為“串聯(lián)L”和“并聯(lián)L”兩種。在這之中，串聯(lián)寄生成分可通過(guò)增高結合系數減少影響，而并聯(lián)寄生成分則可能會(huì )發(fā)生“結合系數=1”的情況。必要的小L值設計的高頻變壓器中，是不可能排除并聯(lián)寄生成分的影響的。但是，可通過(guò)控制這種并聯(lián)寄生成分的值使變壓比適應天線(xiàn)的阻抗頻率特性。并聯(lián)寄生成分的值可通過(guò)轉換變壓器線(xiàn)圈的L值來(lái)達到控制。此次，我們就發(fā)現了能夠很好地控制并聯(lián)寄生成分的L值和結合系數K的組合。

 

 

有了上述的構造，以天線(xiàn)的組抗整合的簡(jiǎn)易化為目的試制高頻變壓器并評價(jià)。試制品的尺寸為2.0mm×1.25mm×0.6 mm的表面貼裝元器件（SMD）（圖3）。在試作品的RF電路側連接50Ω系的測定器，天線(xiàn)連接側的阻抗和動(dòng)畫(huà)如圖4所示。試制變壓器將low band（892MHｚ）轉換成12→50Ω，high band(1940MHｚ)裝換成了19→50Ω。 

 

 

 

 

 

將普通的LC電路跟天線(xiàn)連接，根據頻率特性的不同在廣帶寬情況下阻抗整合會(huì )變得困難。針對該情況，將本次試制的高頻變壓器跟天線(xiàn)連接，low band和high band都轉換成了最合適的阻抗。也就是說(shuō)，工匠圖上的阻抗軌跡有可能變化成阻抗整合容易的形狀。之后通過(guò)外部的調節元件將阻抗軌跡的相位進(jìn)行微調，有可能非常容易的就集中在50Ω附近了。（圖5）

 

 

在將這種高頻變壓器進(jìn)行通信終端實(shí)裝的時(shí)候，有什么優(yōu)點(diǎn)，安裝跟不安裝的環(huán)境下對天線(xiàn)特性進(jìn)行比較和評價(jià)。

 

使用市場(chǎng)上的夏普智能手機「ISW16SH」型號，在LC電路中進(jìn)行阻抗整合時(shí)的特性，使用試制高頻變壓器進(jìn)行阻抗整合時(shí)的特性，兩者進(jìn)行比較跟評價(jià)。（圖6）

 

 

 

ISW16SH機型在天線(xiàn)部分正下方有USB接口，在嚴格的條件下通過(guò)跟該接口連接對天線(xiàn)的電場(chǎng)進(jìn)行評價(jià)。

 

結果顯示，low band 情況下LC電路和高頻變壓器都不可能達到「S11＜－6dB」(反射損耗1.2dB)。而high band情況下，達到「S11＜－6dB」范圍的，如果使用LC電路的話(huà)是300MHz，而使用高頻變壓器的話(huà)則是500MHz，達到了66％的改善效果。（圖6(c)） 。此外，LC電路和高頻變壓器中天線(xiàn)的綜合特性顯示「Total Efficiency」，low  band的高頻側也得到了0.6dB的改善效果。（圖6(d)）。這種改善效果正是由于帶寬的廣帶寬化和I.L.得到了改善。

 

接下來(lái)將針對天線(xiàn)小型化的有效性進(jìn)行檢測。一般來(lái)說(shuō)天線(xiàn)具有改善接地距離的特性。但是，天線(xiàn)占據空間（排除了GND領(lǐng)域）很大的話(huà)天線(xiàn)以外的 元器件安裝空間就會(huì )受壓迫。天線(xiàn)小型化和縮小天線(xiàn)空間迫在眉睫。當天線(xiàn)空間的一部分被GND占據，對這時(shí)候的天線(xiàn)特性的變化進(jìn)行評價(jià)。天線(xiàn)空間的寬度為52mm，其中13mm被GND占據，low band的特性劣化，變成了跟LC電路等同的Total Efficiency（圖7(b)）。這就意味著(zhù)實(shí)際上天線(xiàn)空間的面積可減少25%。

 

 

 

綜上所述，可證明本次試制的高頻變壓器跟普通的LC電路相比可以改變天線(xiàn)的特性。高頻變壓器的變壓比適應了天線(xiàn)的low band和high band阻抗的實(shí)體，即使是在全頻帶范圍內，可以說(shuō)也能夠獲得穩定的阻抗整合的特性。

 

我們會(huì )將本次開(kāi)發(fā)的設備產(chǎn)品化。此設備將被視為繼電感器和電容器之后“第三的阻抗整合器件”而被活用。此設備是使用了變壓器的被動(dòng)元器件。像電感器和電容器一樣，不像使用了轉換開(kāi)關(guān)等能動(dòng)器件一樣有競爭力，但它親和性很高。它對應攜帶終端的多功能化，而天線(xiàn)今后必定是會(huì )進(jìn)化的，我們堅信該設備今后必將為此進(jìn)化作出貢獻。