前言

　　近年來安裝在移動通信終端的移動通信天線的設計難度逐漸增高。隨著LTE這種新型通信方式的增加，寬頻帶的使用越來越廣泛。另一方面，由于二次電池等大型化的因素，可使用空間（天線/領域）縮小了。因此，天線的小型化成了當務之急。但是，如果天線被小型化的話 ，就意味著天線的阻抗和RF電路的輸入和輸出阻抗（50Ω系）相比的話會變低，這就意味著將RF電路跟天線阻抗通過全通信帶寬整合起來是非常困難的。

　　LC元器件的課題

　　目前在實施阻抗整合時，一般使用電感器（L）、電容器（C）等LC元器件。但是，LC元器件電抗中具有頻率特性，整合阻抗后的天線Q值會劣化，頻帶寬會減小。

　　這里阻抗轉換時對于頻率特性難以呈現的材料來說，就以主要在低頻領域中使用的變壓器來舉例吧。變壓器是通過結合磁場的2個線圈（變壓器、線圈）的電感（L值）的比率達到變換阻抗，所以不能保障理想狀態下的頻率特性。因此我們考慮到將其使用到阻抗的整合當中。

　　不使用變壓器的理由

　　移動通信的天線中使用變壓器會遇到3點問題。

　　1） 微波頻段中由于“磁性材料的滲透性≒1”，因此很難達到高結合系數；

　　2） 天線的輸入阻抗很小會導致變壓器損耗影響大；

　　3） 天線輸入阻抗值會因為頻帶不同而產生變化。

　　正因為存在這些問題，至今為止移動通信天線的阻抗整合中一直不使用變壓器。而我們通過獨有的方法解決了這一問題。

　　結合系數是指構成變壓器的2個變壓器、線圈間的距離以及由線圈導致的磁束形狀相關性而產生的變化。一邊維持高結合系數一邊控制變壓比，因此變壓、線圈的形狀達到了統一的狀態，從而開發了每個線圈的L值都能自由控制的構造。

　　這種構造在LTCC（低溫共燒陶瓷）內構造而成，可在變壓器和線圈間的距離為數十μm的情況下制成。即使在微波頻帶中也可將變壓器的結合系數控制在0.7以上。

　　逆轉的連接端口

　　把高頻變壓器跟具有10Ω阻抗的天線連接，由于變壓器本身的材料特性產生的插入損耗（插入損耗）比起跟50Ω連接的高頻器件相對較大。因此，一般低頻中使用的具有大L值和阻抗成分的變壓器在高頻下難以使用。

　　為了削減這種阻抗成分并維持變壓比，我們采用了圖1所示的高頻變壓器的構造。該構造跟普通的變壓器構造相反，它將接地連接端口跟天線連接端口完全逆反。因此，才能達到如圖1所示的變壓比。使用該構造的話，因結合產生的互感M值會反應到變壓器，變壓器中使用的線圈L值會減小，由于高頻變壓器的阻抗成分I.L.可以被抑制得很小。

　　不變的變壓比

　　移動通信天線中使用的通信帶寬以1GHz為界限分為低領域“low band”和高領域“high band”兩種。開放型天線中一般來說low band中為天線的基本波而high band中為天線的高頻波。天線內部沒有安裝短針等組抗整合功能時，low band的阻抗為10Ω左右，high band的阻抗為19Ω左右。

　　如果在這樣的天線中安裝一定變壓比的變壓器，是不能只整合一個band的阻抗的。所以，天線用變壓器，必備的設計需求是要使變壓比適應天線的阻抗頻率特性。這種適應方法如圖2所示，是一種將理想的變壓部分和寄生成分部分分解開來的等效電路。

　　此次開發的變壓器構造的寄生成分分為“串聯L”和“并聯L”兩種。在這之中，串聯寄生成分可通過增高結合系數減少影響，而并聯寄生成分則可能會發生“結合系數=1”的情況。必要的小L值設計的高頻變壓器中，是不可能排除并聯寄生成分的影響的。但是，可通過控制這種并聯寄生成分的值使變壓比適應天線的阻抗頻率特性。并聯寄生成分的值可通過轉換變壓器線圈的L值來達到控制。此次，我們就發現了能夠很好地控制并聯寄生成分的L值和結合系數K的組合。

　　試制表面貼裝元器件

　　有了上述的構造，以天線的組抗整合的簡易化為目的試制高頻變壓器并評價。試制品的尺寸為2.0mm×1.25mm×0.6 mm的表面貼裝元器件（SMD）（圖3）。在試作品的RF電路側連接50Ω系的測定器，天線連接側的阻抗和動畫如圖4所示。試制變壓器將low band（892MHｚ）轉換成12→50Ω，high band（1940MHｚ）裝換成了19→50Ω。

　　將普通的LC電路跟天線連接，根據頻率特性的不同在廣帶寬情況下阻抗整合會變得困難。針對該情況，將本次試制的高頻變壓器跟天線連接，low band和high band都轉換成了最合適的阻抗。也就是說，工匠圖上的阻抗軌跡有可能變化成阻抗整合容易的形狀。之后通過外部的調節元件將阻抗軌跡的相位進行微調，有可能非常容易的就集中在50Ω附近了。（圖5）

　　實裝評價

　　在將這種高頻變壓器進行通信終端實裝的時候，有什么優點，安裝跟不安裝的環境下對天線特性進行比較和評價。

　　使用市場上的夏普智能手機「ISW16SH」型號，在LC電路中進行阻抗整合時的特性，使用試制高頻變壓器進行阻抗整合時的特性，兩者進行比較跟評價。（圖6）

　　ISW16SH機型在天線部分正下方有USB接口，在嚴格的條件下通過跟該接口連接對天線的電場進行評價。

　　結果顯示，low band 情況下LC電路和高頻變壓器都不可能達到「S11＜－6dB」（反射損耗1.2dB）。而high band情況下，達到「S11＜－6dB」范圍的，如果使用LC電路的話是300MHz，而使用高頻變壓器的話則是500MHz，達到了66％的改善效果。（圖6（c）） 。此外，LC電路和高頻變壓器中天線的綜合特性顯示「Total Efficiency」，low band的高頻側也得到了0.6dB的改善效果。（圖6（d））。這種改善效果正是由于帶寬的廣帶寬化和I.L.得到了改善。

　　接下來將針對天線小型化的有效性進行檢測。一般來說天線具有改善接地距離的特性。但是，天線占據空間（排除了GND領域）很大的話天線以外的 元器件安裝空間就會受壓迫。天線小型化和縮小天線空間迫在眉睫。當天線空間的一部分被GND占據，對這時候的天線特性的變化進行評價。天線空間的寬度為52mm，其中13mm被GND占據，low band的特性劣化，變成了跟LC電路等同的Total Efficiency（圖7（b））。這就意味著實際上天線空間的面積可減少25%。

　　綜上所述，可證明本次試制的高頻變壓器跟普通的LC電路相比可以改變天線的特性。高頻變壓器的變壓比適應了天線的low band和high band阻抗的實體，即使是在全頻帶范圍內，可以說也能夠獲得穩定的阻抗整合的特性。

　　我們會將本次開發的設備產品化。此設備將被視為繼電感器和電容器之后“第三的阻抗整合器件”而被活用。此設備是使用了變壓器的被動元器件。像電感器和電容器一樣，不像使用了轉換開關等能動器件一樣有競爭力，但它親和性很高。它對應攜帶終端的多功能化，而天線今后必定是會進化的，我們堅信該設備今后必將為此進化作出貢獻。