改变常规阻抗匹配的被动元器件的商品化

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2013/12/2

前言

  近年来安装在移动通信终端的移动通信天线的设计难度逐渐增高。随着LTE这种新型通信方式的增加,宽频带的使用越来越广泛。另一方面,由于二次电池等大型化的因素,可使用空间(天线/领域)缩小了。因此,天线的小型化成了当务之急。但是,如果天线被小型化的话 ,就意味着天线的阻抗和RF电路的输入和输出阻抗(50Ω系)相比的话会变低,这就意味着将RF电路跟天线阻抗通过全通信带宽整合起来是非常困难的。


LC元器件的课题

  目前在实施阻抗整合时,一般使用电感器(L)、电容器(C)等LC元器件。但是,LC元器件电抗中具有频率特性,整合阻抗后的天线Q值会劣化,频带宽会减小。

  这里阻抗转换时对于频率特性难以呈现的材料来说,就以主要在低频领域中使用的变压器来举例吧。变压器是通过结合磁场的2个线圈(变压器、线圈)的电感(L值)的比率达到变换阻抗,所以不能保障理想状态下的频率特性。因此我们考虑到将其使用到阻抗的整合当中。


变压器未被使用的理由

  移动通信的天线中使用变压器会遇到3点问题。

  1) 微波频段中由于“磁性材料的渗透性≒1”,因此很难达到高结合系数;

  2) 天线的输入阻抗很小会导致变压器损耗影响大;

  3) 天线输入阻抗值会因为频带不同而产生变化。

  正因为存在这些问题,至今为止移动通信天线的阻抗整合中一直不使用变压器。而我们通过独有的方法解决了这一问题。

  结合系数是指构成变压器的2个变压器、线圈间的距离以及由线圈导致的磁束形状相关性而产生的变化。一边维持高结合系数一边控制变压比,因此变压、线圈的形状达到了统一的状态,从而开发了每个线圈的L值都能自由控制的构造。

  这种构造在LTCC(低温共烧陶瓷)内构造而成,可在变压器和线圈间的距离为数十μm的情况下制成。即使在微波频带中也可将变压器的结合系数控制在0.7以上。


逆转的连接端口

  把高频变压器跟具有10Ω阻抗的天线连接,由于变压器本身的材料特性产生的插入损耗(插入损耗)比起跟50Ω连接的高频器件相对较大。因此,一般低频中使用的具有大L值和阻抗成分的变压器在高频下难以使用。

  为了削减这种阻抗成分并维持变压比,我们采用了图1所示的高频变压器的构造。该构造跟普通的变压器构造相反,它将接地连接端口跟天线连接端口完全逆反。因此,才能达到如图1所示的变压比。使用该构造的话,因结合产生的互感M值会反应到变压器,变压器中使用的线圈L值会减小,由于高频变压器的阻抗成分I.L.可以被抑制得很小。


适应变压比

  移动通信天线中使用的通信带宽以1GHz为界限分为低领域“low band”和高领域“high band”两种。开放型天线中一般来说low band中为天线的基本波而high band中为天线的高频波。天线内部没有安装短针等组抗整合功能时,low band的阻抗为10Ω左右,high band的阻抗为19Ω左右。

  如果在这样的天线中安装一定变压比的变压器,是不能只整合一个band的阻抗的。所以,天线用变压器,必备的设计需求是要使变压比适应天线的阻抗频率特性。这种适应方法如图2所示,是一种将理想的变压部分和寄生成分部分分解开来的等效电路。


  此次开发的变压器构造的寄生成分分为“串联L”和“并联L”两种。在这之中,串联寄生成分可通过增高结合系数减少影响,而并联寄生成分则可能会发生“结合系数=1”的情况。必要的小L值设计的高频变压器中,是不可能排除并联寄生成分的影响的。但是,可通过控制这种并联寄生成分的值使变压比适应天线的阻抗频率特性。并联寄生成分的值可通过转换变压器线圈的L值来达到控制。此次,我们就发现了能够很好地控制并联寄生成分的L值和结合系数K的组合。


试制表面贴装元器件

  有了上述的构造,以天线的组抗整合的简易化为目的试制高频变压器并评价。试制品的尺寸为2.0mm×1.25mm×0.6 mm的表面贴装元器件(SMD)(图3)。在试作品的RF电路侧连接50Ω系的测定器,天线连接侧的阻抗和动画如图4所示。试制变压器将low band(892MHz)转换成12→50Ω,high band(1940MHz)装换成了19→50Ω。

  将普通的LC电路跟天线连接,根据频率特性的不同在广带宽情况下阻抗整合会变得困难。针对该情况,将本次试制的高频变压器跟天线连接,low band和high band都转换成了最合适的阻抗。也就是说,工匠图上的阻抗轨迹有可能变化成阻抗整合容易的形状。之后通过外部的调节元件将阻抗轨迹的相位进行微调,有可能非常容易的就集中在50Ω附近了。(图5)

实装评价

  在将这种高频变压器进行通信终端实装的时候,有什么优点,安装跟不安装的环境下对天线特性进行比较和评价。

  使用市场上的夏普智能手机「ISW16SH」型号,在LC电路中进行阻抗整合时的特性,使用试制高频变压器进行阻抗整合时的特性,两者进行比较跟评价。(图6)


  ISW16SH机型在天线部分正下方有USB接口,在严格的条件下通过跟该接口连接对天线的电场进行评价。

  结果显示,low band 情况下LC电路和高频变压器都不可能达到「S11<-6dB」(反射损耗1.2dB)。而high band情况下,达到「S11<-6dB」范围的,如果使用LC电路的话是300MHz,而使用高频变压器的话则是500MHz,达到了66%的改善效果。(图6(c)) 。此外,LC电路和高频变压器中天线的综合特性显示「Total Efficiency」,low band的高频侧也得到了0.6dB的改善效果。(图6(d))。这种改善效果正是由于带宽的广带宽化和I.L.得到了改善。

  接下来将针对天线小型化的有效性进行检测。一般来说天线具有改善接地距离的特性。但是,天线占据空间(排除了GND领域)很大的话天线以外的 元器件安装空间就会受压迫。天线小型化和缩小天线空间迫在眉睫。当天线空间的一部分被GND占据,对这时候的天线特性的变化进行评价。天线空间的宽度为52mm,其中13mm被GND占据,low band的特性劣化,变成了跟LC电路等同的Total Efficiency(图7(b))。这就意味着实际上天线空间的面积可减少25%。

  综上所述,可证明本次试制的高频变压器跟普通的LC电路相比可以改变天线的特性。高频变压器的变压比适应了天线的low band和high band阻抗的实体,即使是在全频带范围内,可以说也能够获得稳定的阻抗整合的特性。

  我们会将本次开发的设备产品化。此设备将被视为继电感器和电容器之后“第三的阻抗整合器件”而被活用。此设备是使用了变压器的被动元器件。像电感器和电容器一样,不像使用了转换开关等能动器件一样有竞争力,但它亲和性很高。它对应携带终端的多功能化,而天线今后必定是会进化的,我们坚信该设备今后必将为此进化作出贡献。


关于村田

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