小型用戶設備的天線設計多年來一直依賴于不平衡設計的使用 - 通常是單極天線和倒L天線的巧妙變體。隨著設備尺寸的減小，不平衡天線變得越來越成問題，因為它們的輸入阻抗和輻射特性在很大程度上取決于地平面的大小及其在其上的位置。

本文描述了一種新的多頻帶天線。平衡饋電網絡顯示出對通常的地平面效應的實質性抗擾性，并指出了新型天線設計的方式，這種設計可以在很少或沒有修改的平臺之間移動。為了節省空間，這些設計在天線下方設有一個托架，以容納相關的射頻電路和設備。

平衡天線

雖然非平衡天線只有一個端子并且是靠著本地接地面驅動的，但平衡天線有兩個端子相對于本地接地面呈現相同的阻抗。這兩個端子通過相等的電壓相對于地激勵，相位差為180°。這種略微不同尋常的定義清楚地表明，我們可以通過兩種方式想象一個平衡的結構（圖1b和1c）。圖1（c）通過使用互補的不平衡結構對提供了一種實現平衡結構的另一種方法的有用見解，每種非平衡結構都可以使用小型無線設備中常見的壓縮格式。

圖1：（a）天線不平衡，（b，c）平衡天線。

手機天線通常需要在兩個頻段（或組）上運行樂隊），通常相隔大約一個八度。平衡天線的尺寸幾乎不可避免地大于不平衡天線的尺寸（對于相同的阻抗帶寬），因此盡管平衡結構對于上頻帶（1710 MHz及以上）完全可行，但仍有必要繼續使用較低頻段（800-900 MHz）的不平衡結構。另一種觀察問題的方法是，在使用非平衡天線的當前手機中，天線的尺寸小于提供所需帶寬所需的尺寸，并且天線僅因為地平面（底盤）支持顯著的輻射電流而工作。因此，面臨的挑戰是設計一種能夠在較高頻帶中以平衡模式工作并在較低頻帶中以不平衡模式工作的結構。本文所述工作的另一個相關目標是漸進式集成具有天線結構的手機的RF電子器件。目前的做法是將功率放大器，開關（或雙工器）和接收器放置在離天線一定距離處，并使用50歐姆不平衡微帶線將它們連接到天線。電子設備與平衡天線的緊密集成創造了有趣的新可能性：天線可以直接從平衡放大器驅動，天線可以輕松提供50歐姆以外的輸入阻抗。這些新參數改變了射頻元件設計的現有限制。目前天線由傳統的不平衡50歐姆輸入驅動，因此驅動平衡/非平衡對所需的電路如圖2所示（一個）。雙工器分頻高頻和低頻信號。高頻信號通過芯片巴倫饋送到平衡天線，低頻帶直接驅動不平衡天線。輻射元件物理排列成堆疊，如圖2（b）所示。可以看出，平衡高頻帶天線是通過電容耦合板從平衡 - 不平衡變換器驅動的。這種安排避免了低頻饋電的短路。雙工器的低頻帶連接連接到放置它的低頻帶輻射器，但為了清楚起見，圖2（b）中省略了這種連接。

圖2：混合平衡/非平衡天線的物理布置。

配置

整個布局非常緊湊。圖2（b）所示的接地平面是可選電子設備托架的上表面，RF電路和設備可位于其中。低頻散熱器距離地面僅1.5毫米，而高頻散熱器高出4毫米。 5.5 mm的總高度接近正常多頻段天線的下限，對于覆蓋800 MHz和900 MHz頻段的天線來說，總高度非常低。

圖3 ：低頻段散熱器（flexi-pcb）。

該項目的最初目標是創建一個平衡天線，提供五個移動無線電頻段（800-900-1800-1900-2100 MHz）的全面運行，其效率至少與現有商用非平衡天線的效率一樣高。工作帶寬和終端效率逐步提高。最近的比較研究是通過將這里描述的格式的天線安裝到標準商用手機中進行的，首先對原始天線的性能進行基準測試。

我們認識到目前天線將由不平衡源驅動，所以為了激發天線的平衡部分，需要一個平衡 - 不平衡變換器;我們還從手機上傳統開關/雙工器的輸出饋送天線。將來，可以直接從平衡無線電電路饋送高頻天線的元件，因此相關的損耗將消失（這已在圖6中進行了調整）。

仿真結果

目前開發狀態很大程度上歸功于使用Ansoft HFSS進行了數小時的精心模擬。圖5中示出了本配置的典型結果，其中清楚地看到結構的不同部分的激勵和兩個頻帶處的底盤的非常不同的激勵。圖5（a）中隱藏了高頻段輻射器，因此可以更清楚地看到低頻段輻射器中的電流。

測量結果

輻射模式

天線具有很強的抗干擾能力效果可以在圖4（a）中看到。這顯示了600 - 2400 MHz頻段的輸入回波損耗，手機處于自由空間并握在手中。相比之下，對于任何典型的手機天線，這是一個非常令人驚訝的結果，因為即使在原始尺度下，幾乎不可能區分這兩個結果。上頻帶中的輻射圖如下圖4（b，c）所示。這些只與在較低頻段獲得的典型偶極子模式略有不同。

圖4：（a）自由空間和自由空間中的輸入回波損耗手，（b），（c）1850 MHz的輻射方向圖（徑向步長為2 dB）。

圖5：天線和機箱中的模擬電場。黑色區域是低電流區域。可以清楚地看到天線在平衡模式下工作的高頻帶中的低得多的電流水平。

與手機正交的平面中的圖案起初是令人費解的，但缺乏顯著方向性的原因是地平面（天線下方）的電流是橫向的并且它們繼續向右流動地平面的“背面”。高頻段的極化與手機的長軸成直角，與低頻段不同，低頻帶通常與軸對齊。

使用多個傳統手機天線的一個問題是它很難在它們的輸出之間獲得良好的去相關，因為即使放置在手機的相對兩端，它們也通過相同的機箱電流耦合到外部場。通過在手機上旋轉天線來控制極化的能力是一項新功能，可以實現顯著的極化分集，更有效的雙天線干擾消除和改善的MIMO性能。

效率

性能比較使用傳統天線是通過將本文所述的RADIONOVA ?模塊替換為標準商用手機而制成的。比較效率如圖6所示。在繪制結果時，已經考慮了平衡 - 不平衡轉換器引入的過量衰減（在沒有來自發射器的平衡饋電的情況下）。因此，繪制的數字提供了未來表現潛力的合理指示。

圖6：（a）自由空間和手中的輸入回損，（b），（c）1850 MHz的輻射方向圖（徑向步長為2dB）。

結論

小型移動設備上的平衡天線可能有重要應用。本文中描述的安排為RF電子封裝設計提供了新思路的真正機會，可以節省電路板面積，功耗和元件成本。對于許多不同的應用而言，避免定制設計的能力對設備設計者來說將是真正的好處。進一步的工作仍然是優化配置和理解不平衡低頻天線對手部效應和阻抗變化的異常抗擾度。