移动通信微波电路与天线的小型化研究

论文摘要

随着现代无线通信技术发展以及先进微波集成电路技术与片上系统（System on-chip）集成技术的结合使得任意时间、地点的无线通信成为现实。作为通信系统的构成部分,微波电路的小型化、高性能成为研究热点。电磁q带隙（Electromagnetic bandgap-EBG）结构为系统的小型化、高性能提供了新的途径。本文的工作主要围绕微波电路应用电磁带隙使之小型化、现代移动通信中天线的小型化设计展开,并根据实际产品的设计展现电磁带隙结构及小型化移动天线的特点。自E.Yablonovitch与S.John提出了具有周期性阻抗特性的光子晶体（Photonic band-gap, PBG）后,人们将光学领域的带隙结构引入到微波电路的应用中（PBG在微波电路改名为EBG）,引起业内广泛的关注,并对其进行详尽的理论分析、实验测试。目前EBG的研究主要集中在滤波电路、高频谐振抑制、天线性能改善等无源器件设计及系统级性能改善、小型化的方面,由于EBG结构本身的慢波效应,使系统器件小型化成为可能。一些新颖、紧凑的EBG结构纷纷提出。此外考虑到封装的问题,Nesic等人提出不需要衬底或地板蚀刻技术。在EBG结构的基础上韩国学者提出了DGS（Defect Ground Structure）结构。EBG结构为通信系统小型化、性能提高提供了一条新的道路。天线作为无线通信系统中的重要部件之一,其性能好坏直接关系到系统的通信质量。无线通信技术的飞速发展对终端天线提出了更高的要求,天线的小型化及多频带技术的应用在近几年受到特别的关注。移动通信经历了第一代的模拟系统、第二代的数字GSM系统及后来因为用户急速发展,而进行的DCS（Digital Communication System）频段的容量扩展。根据世界各地所应用制式的不同,还有其他频段的要求,如CDMA、PCS、PHS等频段。伴随着3G移动通信业务的扩展及移动设施的小型化,对天线工作空间、特性提出了更高的要求。本文首先介绍了通信微波电路中电磁带隙结构的应用、分析方法、特性及其慢波特性的小型化设计,然后介绍目前移动通信中所涉及到的小型化内置天线的设计、要求与趋势。后续章节根据相应的EBG结构特性展开EBG结构在微波电路中的无源滤波器、高Q值的谐振腔设计,并提出了相应的设计理念与规则。通过大量的仿真测试,对EBG结构的设计参数进行优化。实验证明,EBG结构对移动通讯系统微波电路小型化效果良好。小型化、高性能、低剖面移动通讯天线设计,涉及到平面天线与单极天线,是本文的另外一个重点。根据当前移动电话、固定台的需要,应天线狭小空间的要求,提出了一些新颖的手机内置式天线设计,进行了仿真分析,并对最终的天线工作状态进行了Passive与Active测试,进一步验证了所设计的小型化天线满足客户的通话质量要求与入网测试认证。对当前移动通讯的小型化天线设计,根据实际案例及实践经验,提出了一些设计规范、注意事项。另外对天线的空间要求、主板Feed & Short Pad的布局提出了一些建设性的规范与要求,为缩短研发周期、降低风险提供了有益的参考建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 EBG、天线在移动通信微波电路中的研究现状
• 1.2 通信系统微波电路的电磁带隙应用及特点
• 1.3 移动通信小型化天线设计
• 1.4 小型化天线设计CAD
• 1.5 本文研究目的与创新成果
• 参考文献
• 第二章 电磁带隙结构理论及特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 电磁带隙的理论分析方法
• 2.3 EBG 结构的特性分析与仿真
• 2.3.1 EBG 结构的特性
• 2.3.2 不同EBG 结构、参数对其特性的影响
• 2.3.3 信号线上的EBG 结构特性分析
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 EBG 结构的微波无源器件
• 3.1 引言
• 3.2 法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振器
• 3.2.1 缺陷态Fabry-Perot 谐振器理论分析
• 3.2.2 Fabry-Perot 谐振器仿真计算
• 3.3 EBG 双模带通滤波器
• 3.3.1 1-D 共面EBG 结构及其理论分析
• 3.4 小结
• 创新点
• 参考文献
• 第四章 移动通讯小型化天线
• 4.1 引言
• 4.2 天线的小型化
• 4.2.1 PIFA、IL、IFA 天线特性分析
• 4.2.2 SMT/Chip 天线
• 4.2.3 FICA 天线
• 4.3 手机多频天线设计及注意问题
• 4.3.1 多频天线设计及空间要求
• 4.3.2 天线周围电磁环境影响因素
• 4.4 多模手机天线设计
• 4.5 小结
• 创新点
• 参考文献
• 第五章 小型化内置天线数值计算、设计与测试
• 5.1 引言
• 5.2 天线数值计算方法
• 5.2.1 矩量法
• 5.2.2 矩量法用于PIFA 天线计算
• 5.3 滑盖手机PIFA 天线设计
• 5.4 三维立体结构单极天线的设计
• 5.4.1 天线的仿真设计
• 5.4.2 天线的Passive、Active 测试
• 5.5 陶瓷天线设计及测试
• 5.6 天线馈电PAD 布局影响仿真
• 5.7 小结
• 创新点
• 参考文献
• 第六章 微波电路、天线的测试及工艺
• 6.1 微带电路无源器件工艺
• 6.2 天线性能测试及测试系统相关指标
• 6.2.1 微波暗室天线测试系统
• 6.2.2 手机天线设计、测试程序
• 参考文献
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 攻读博士期间的研究成果
• 参与的实际项目
• 附录I 手机天线测试面定义
• 附录II 某滑盖机Active 测试结果
• 附录III 天线测试系统及相应测试指标参数