原创 如何进行GSM手机双频天线的阻抗匹配

    
仿真工具在实际过程中几乎没什么用处。因为仿真工具是不知道你元件的模型的。你必须要输入实际元件的模型，也就是说各种分布参数，你的结果才可能与实际相符。一个实际电感器并不是简单用电感量能衡量的，应该是一个等效网络来模拟。本人通常只会用仿真工具做一些理论的研究。

   
实际设计中，要充分明白Smith圆图的原理，然后用网络分析仪的圆图工具多调试。懂原理让你定性地知道要用什么件，多调是要让你熟悉你所用的元件会在实际的圆图上怎么移动。（由于分布参数及元件的频率响应特性的不同，实际件在圆图上的移动和你理论计算的移动会不同的）。
   
双频的匹配的确是一个折衷的过程。你加一个件一定是有目的性的。以GSM、DCS双频来说，你如果想调GSM而又不太想改变DCS，你就应该选择串连电容、并联电感的方式。同样如果想调DCS，你应该选择串电感、并电容。
   
理论上需要2各件调一个频点，所以实际的手机或者移动终端通常按如下规律安排匹配电路：对于简单一些的，天线空间比较大，反射本来就较小的，采用Pai型（2并一串），如常规直板手机、常规翻盖机；稍微复杂些的采用双L型（2串2并）：对于更复杂的，采用L＋Pai型（2串3并），比如用拉杆天线的手机。
   
记住，匹配电路虽然能降低反射，但同时会引入损耗。有些情况，虽然驻波比好了，但天线系统的效率反而会降低。所以匹配电路的设计是有些忌讳的；比如在GSM、DCS手机中匹配电路中，串联电感一般不大于5.6nH。还有，当天线的反射本身比较大，带宽不够，在smith图上看到各频带边界点离圆心的半径很大，一般加匹配是不能改善辐射的。
   
天线的反射指标（VSWR，return loss）在设计过程中一般只要作为参考。关键参数是传输性参数（如效率，增益等）。有人一味强调return loss，一张口要－10dB，驻波比要小于1.5，其实没有意义。我碰到这种人，我就开玩笑说，你只要反射指标好，我给你接一个50欧姆的匹配电阻好了，那样驻波小于1.1啊，至于你手机能不能工作我就不管了！

    
SWR驻波比仅仅说明端口的匹配程度，即阻抗匹配程度。匹配好，SWR小，天线输入端口处反射回去的功率小。匹配不好，反射回去的功率就大。至于进入天线的那部分功率是不是辐射了，你根本不清楚。天线的效率是辐射到空间的总功率与输入端口处的总功率之比。所以SWR好了，无法判断天线效率一定就高（拿一个50ohm的匹配电阻接上，SWR很好的，但有辐射吗？）。但是SWR不好了，反射的功率大，可以肯定天线的效率一定不会高。SWR好是天线效率好的必要条件而非充分条件。SWR好并且辐射效率（radiation efficiency）高是天线效率高的充分必要条件。当SWR为理想值（1）时，端口理想匹配，此时天线效率就等于辐射效率。
   
当今的手机，天线的空间压缩得越来越小，是牺牲天线的性能作为代价的。对于某些多频天线，甚至VSWR达到了6。以前大家比较多采用外置天线，平均效率在50％算低的，现在50％以上的效率就算很好了！看一看市场上的手机，即使是名公司的，如Nokia等，也有效率低于20％的。有的手机(滑盖的啊，旋转的啊)甚至在某些频点的效率只有10％左右。 
   
见过几个手机内置天线的测试报告，天线效率基本都在30-40%左右，当时觉得实在是够差的（比我设计的微带天线而言），现在看来还是凑合的了。不过实际工程中，好像都把由于S11造成的损耗和匹配电路的损耗计在效率当中了，按天线原理，只有介质损耗（包括基板引起的和手机内磁铁引起的）和金属损耗（尽管很小）是在天线损耗中的，而回损和匹配电路的损耗不应该记入的。不过工程就是工程啊，这样容易测试啊。
   
对了，再补充一句，软件仿真在一定程度上是对工程有帮助的：当然，仿真的结果准确程度没法跟测试相比，但是通过参数扫描仿真获取的
天线性能随参数变化趋势还是有用的，这比通过测试获取数据要快不少，尤其是对某些不常用的参数。

  
“仿真工具在实际工程中没有什么用处”，是说在设计匹配电路时，更具体一点是指设计双频GSM、DCS手机天线匹配电路时。如果单独理解这句话，无疑是错的。事实上，我一直在用HFSS进行天线仿真，其结果也都是基于仿真结果的。

   
对了，焊元器件真的是一件费劲的事，而且也有方法的，所谓熟能生巧嘛。大的公司可能给你专门配焊接员，那样你可能就只要说焊什么就可以了。然而，我们在此讨论的是如何有效地完成匹配电路的设计。注意有效性！有效性包括所耗的时间以及选择元器件的准确性。
如果没有实际动手的经验，只通过软件仿真得出一种匹配设计然而用到实际天线输入端。呵呵，我可以说，十有八九你的设计会不能用，甚至和你的想象大相径庭！

   
实际设计中，还有一种情况你在仿真中是无法考虑的（除非你事先测量）。那就是，分布参数对于PIFA的
影响。由于如今天线高度越来越小，而匹配电路要么在天线的下方（里面）要么在其下方（外面），反正很近，加入一个实际元件在实际中会引入分布参数的改变。
尤其如果电路板排版不好，这种效应会明显一些。实际焊接时，甚至如果一个件焊得不太好，重新焊接一下，都会带来阻抗的变化。
   
所以，PIFA的设计中，通常我们不采用匹配电路（或者叫0ohm匹配）。这就要求你仔细调节优化你的天线。一般来说对现今的柔性电路板设计方案（Flexfilm）比较容易做到，因为修改辐射片比较容易。对于用得比较多的另一种设计方案冲压金属片（stamping metal），相对来说就比较难些了。一是硬度大，受工艺的限制不能充分理由所有空间，二是模具一旦成型要多次修改辐射片的设计也很困难。

         
在匹配设计上仿真工具有没有很大的用处，没多少人是可以用仿真工具算出匹配来的。
再说，有没有很大效果怎么衡量呢？
工程上讲究的是快速，准确。为了仿真而仿真，没有实际意义。为了得到一个2、3、最多5个件的匹配你去建立电感、电容的模型，不太值的。还有，你如何考虑上面我提到的PIFA匹配的分布参数的改变？前面我还说到一些匹配电路的忌讳，不是源于理论，完全源于实践。因为天线的设计是希望能提高它的辐射效率(总效率)！我没有成功地在1小时内通过仿真工具找到过准确的匹配电路（就说GSM、DCS）双频的吧，（实际中用视错法是可以的）。