一代经典天线形式“G Pattern”的前生今世

magicsissy · 发表于 2015-11-7 01:04:06

本帖最后由 magicsissy 于 2015-11-14 11:11 编辑

   很久没有在52RD上冒泡了，今天看到有人在问G Pattern天线的原理，很有感慨。长江后浪推前浪，虽然手机天线行业早已日渐式微，风光不再，但是还是有新人源源不断进入这个行业，为之注入活力，求知若渴当在情理之中。学问从无简单之说，再初级的问题，倘若细细深究，依然有许多值得玩味的地方。G Pattern，手机天线行业的经典天线形式，几乎可以说是无人不知无人不晓无人不用。笔者不才，简介下G Pattern的前生今世，权做抛砖引玉，希望高手指教。

   1997年10月的IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊上刊载了一篇论文《Dual-Frequency Planar Inverted-F Antenna》，作者是英国伯明翰大学的刘子东，Peter S.Hall，以及David Wake。应该说，这篇文章论述的天线，与G Pattern并不相同。但是这篇论文有两个引人注目的焦点。第一，设计摒弃了当时流行的鞭型monopole天线，而采用的是当时还没有在手机行业中应用的PIFA天线。第二，该PIFA天线通过一大一小两个体积不同的辐射片，激励出了两个谐振模，实现了同时覆盖低频段（GSM900）和高频段（DCS1800）的双频工作。这种通过天线体积“各自分用”（volume sharing）而实现不同频段覆盖的设计思路，时至今日依然在手机天线领域中被广泛采用。

   伟大事物的诞生之时，其实往往非常平凡。2000年7月16日~21日，美国犹他州盐湖城，举行了一个学术会议。IEEE的学术会议不胜枚举，司空见惯。这个会议似乎也无任何惊人亮点。在这个学术会议上，有一篇文章被发表了。这篇文章仅有4页，非常短小。但是相信即使是作者本人，也绝料想不到，这篇文章中设计的天线，会成为手机天线行业的标杆，成为经久不衰的先驱者。这篇文章题目是《An Internal Dual-Band Mobile Phone Antenna》，作者是Tarvas, S.和Isohatala, A. 其中Tarvas供职的公司，也就是后来手机天线行业闻名遐迩的芬兰飞创艾尔凯公司(Filtronic LK)。这篇文章中，作者提出，在一个平面天线上，锲入一条狭缝，将天线分为一长一短两个分支，长分支在外，短分支在内，形成一个长包短的构造。由于这个构造很像是一个大写的英文字母“G”，从此这种天线便得名G Pattern。这种天线形式演化自四分之一波长PIFA天线，其原理是长短分支各自激励其对应的四分之一波长谐振模，可以在低频和高频分别生成一个谐振。虽然是“各自”激励，但是天线调谐时，并非可以做到调节一个分支，而完全不影响另一个分支。尤其是长走线部分区域的调谐，对于高频同样非常敏感。这是因为两条分支的相邻，彼此之间存在着强烈的耦合作用。

   由于不凑巧，笔者手边没有这篇文章的原文，无法附上原图。权且以昔日手机霸主诺基亚的一款经典机型3120的天线做图释。该天线在外围有一条长分支，包裹着里面的一条短分支，形成了G Pattern。而在G Pattern天线旁边引入一个接地金属片与之贴近而不接触，从而形成了一个寄生单元。这样由于G Pattern本身可以激励两个谐振，而寄生单元可以再独立生成一个谐振。三个谐振模足以覆盖手机所需的GSM900/1800/1900三频。

   严格地说来，诺基亚3120的天线，其G Pattern与《An Internal Dual-Band Mobile Phone Antenna》是有细小区别的，论文中的天线长走线，其尾端朝向是向着主板的边缘，而非3120天线这样尾端朝着主板内侧。通常而言，在使用G Pattern时，也是优先考虑将长走线的尾端放在主板的边缘。因为低频的辐射电场强点即是集中在长走线的尾端，将长走线的尾端朝板边，通常可以使得低频的辐射区更为开放，有利于辐射性能的提升。但是这也非一成不变的限定，同样有很多优异的天线，其长分支是朝向主板内侧的。因为手机内置天线的设计，与其具体所在的环境息息相关，墨守成规，拘泥不变是不可取的僵化思维。

   笔者附上一个带着寄生单元的G Pattern天线的仿真电流分布，可以清晰地看到谐振模式的分布。

   从手机天线由外置转向内置的年代，G Pattern就开始大显身手。时至4G时代，手机的频段需求早已从当初简单的GSM900/1800双频，变成了横跨N频的全频带覆盖。G Pattern似乎已显老迈，尚能饭否？其实不然，在结合了寄生单元，宽带匹配，开关，可变电容等技术之后，G Pattern又重新恢复了昔日风光，依旧活跃在行业的前沿。

   G Pattern，一直都在，从未离开。

更新：已经找到《An Internal Dual-Band Mobile Phone Antenna》原文中的G Pattern原型图片。另外，再附上作者就拓展高频带宽所引入的容性加载方法
参见回复19F和20F的图片

magicsissy · 发表于 2015-11-7 02:26:41

本帖最后由 magicsissy 于 2015-11-7 02:31 编辑

诺基亚3120的天线

magicsissy · 发表于 2015-11-7 02:31:55

低频谐振频点的天线表面电流分布

magicsissy · 发表于 2015-11-7 02:33:16

高频第一谐振频点的天线表面电流分布

magicsissy · 发表于 2015-11-7 02:33:59

高频第二谐振频点的天线表面电流分布

walking001 · 发表于 2015-11-10 13:57:09

学习了！

feixue5699 · 发表于 2015-11-10 15:01:13

[em16]上的图片很用心好帖子

469346194 · 发表于 2015-11-10 15:46:13

菜鸟受用了。谢谢各位大神

LLPP · 发表于 2015-11-11 08:46:36

好贴呀 [em05]

ljl520 · 发表于 2015-11-11 10:35:19

[em02][em02]感谢楼主的无私奉献

nameslong521w · 发表于 2015-11-11 15:27:55

还有很多要学习的地方啊！

benlxb · 发表于 2015-11-11 18:49:27

厉害厉害

zhiziziyu · 发表于 2015-11-11 22:26:25

不错，谢谢楼主

xv0716 · 发表于 2015-11-12 08:56:05

#######################

dannyzhang · 发表于 2015-11-12 20:47:05

不看书不看理论就真的成了天线民工了看了楼主的帖子似乎觉得自己还是个天线工程师

412198670 · 发表于 2015-11-12 22:51:12

楼主说的很好

412198670 · 发表于 2015-11-12 22:58:10

基础知识，来点 4X4MIMO知识点就更棒了

tudouhuishuohua · 发表于 2015-11-13 08:29:26

科普天线知识，受益匪浅~

magicsissy · 发表于 2015-11-14 11:12:34

本帖最后由 magicsissy 于 2015-11-14 11:13 编辑

《An Internal Dual-Band Mobile Phone Antenna》文中的G Pattern原型

magicsissy · 发表于 2015-11-14 11:15:06

本帖最后由 magicsissy 于 2015-11-14 11:19 编辑

《An Internal Dual-Band Mobile Phone Antenna》文中提到的在感性末端做容性加载，有利于提升高频带宽。即将天线末端（靠近馈点和地点）的部分翻折贴近地平面，在地与天线辐射体之间形成容性效应。

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