三頻帶手機(jī)天線設(shè)計(jì)方案

隨著無線系統(tǒng)內(nèi)置功能的不斷增多，對小體積、低成本印刷電路天線的需求在增加，比如一款必須要支持藍(lán)牙、蜂窩操作、全球定位系統(tǒng)(GPS)等功能的手機(jī)。對一臺(tái)設(shè)備內(nèi)包含的多個(gè)蜂窩通信頻帶來說，有幾種不同類型的天線可用。由于陶瓷基板材料的高介電常數(shù)，為減小天線所占空間，天線一般被制造在陶瓷基板材料上。本文提出了一種印制在羅杰斯公司的一種典型層壓材料RO4350B上的低成本天線。對研制中的便攜式場強(qiáng)儀的射頻和數(shù)字電子部分來說，做在RO4350B材料上天線的大小和所占空間，與做在陶瓷基板上的天線一樣。

為支持對蜂窩基站實(shí)施的測量，本文采用羅杰斯公司(Rogers)的雙層RO4350B層壓板材制作了一款印刷電路板偶極子天線。這款緊湊的天線覆蓋900、1,800和2,100MHz蜂窩頻帶，很適合與用于測試蜂窩基站電場強(qiáng)度的低成本便攜式電場強(qiáng)度計(jì)(場強(qiáng)儀)一起使用。鑒于手機(jī)和基站目前要支持越來越多的蜂窩和其它無線標(biāo)準(zhǔn)，用于無線應(yīng)用的天線要比以往任何時(shí)候都要處理更多的頻段。

測量基站周圍的場強(qiáng)對工作位置緊鄰蜂窩基站天線的技術(shù)或其他員工而言至關(guān)重要。通過采用單一設(shè)計(jì)覆蓋三個(gè)波段從而就不再需多個(gè)獨(dú)立天線，也即減輕了測試設(shè)備的重量、降低了成本。這款新穎的天線有助于實(shí)現(xiàn)一個(gè)成本低得多的便攜式場強(qiáng)儀，其在降低成本方面的好處超過任何可用的電場感知方案。本文將討論對該三頻帶印制偶極子天線設(shè)計(jì)的仿真和實(shí)測。

RO4350B層壓材料是一種強(qiáng)化玻璃碳?xì)浠衔?陶瓷材料，可以用與在FR-4基板材料上制作低成本印刷電路所使用的相同方法對其進(jìn)行處理。它在10GHz的電介常數(shù)為3.48，該特性使其常用于高頻功率放大器設(shè)計(jì)。RO4350B層壓材料具有低Z軸熱膨脹系數(shù)(CTE)，從而確保通過金屬化過孔(PTH)互聯(lián)的多層電路具有高穩(wěn)定性。

表：三頻帶印制偶極子天線的典型電氣特性。

表中提供了該三頻帶印制偶極子天線的典型電氣特性。圖1給出了帶典型尺寸的天線的物理布局，圖中的紅色和藍(lán)色分別表示該印刷電路設(shè)計(jì)的頂層和底層。

圖1：用于手機(jī)測試的三頻帶印刷偶極子天線的布線。

該天線屬于改進(jìn)的反轉(zhuǎn)F型天線設(shè)計(jì)。對此類寬帶/多帶天線來說，回波損耗非常重要。為評估該天線的回波損耗性能，采用三維(3D)電磁仿真程序(圖2)對性能進(jìn)行了模擬預(yù)測，并將其與從首款在RO4350B材料上制作的天線原型得到的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比(圖3)。在仿真和實(shí)測結(jié)果間有明顯差別(尤其是在2.1GHz)，但因測試是在非理想測試環(huán)境下進(jìn)行以及在仿真時(shí)假設(shè)天線工作在開放環(huán)境，所以可容易地對這種差異進(jìn)行解釋。

圖2：新型三頻段手機(jī)天線的回波損耗特性仿真結(jié)果。

計(jì)算機(jī)EM仿真很好地揭示了該天線的回波損耗性能。因?yàn)橛糜诖祟悜?yīng)用的天線總是安裝在機(jī)殼內(nèi)并帶傳導(dǎo)電纜，而電纜可模仿附近的射頻集成電路(RFIC)，所以通過確定天線在機(jī)殼內(nèi)的具體位置(即確定天線在基板上的具體位置)，將進(jìn)一步改善回波損耗性能。該印制天線的效率直接與回波損耗成反比，因此，為使采用印制天線的此類應(yīng)用擁有盡可能高的效率，在充分考慮該產(chǎn)品的射頻和數(shù)字電子部分所含的所有傳導(dǎo)材料的影響后，如何正確地在建構(gòu)內(nèi)擺布天線的位置就成為關(guān)鍵一環(huán)。

圖3：新型三頻段手機(jī)天線的回波損耗特性測試結(jié)果。

在仿真時(shí)假定了沒有地面反射源，仿真結(jié)果顯示天線的輻射模式是全方位的(圖4)。但在實(shí)際應(yīng)用中，反射源將以做在或安固在天線印刷電路板上附近的電子器件的形態(tài)存在。因此，可以預(yù)期，該天線測得的仰角模式將幾乎是仿真得到的仰角模式的一半(以度表示)。同樣，測得的增益預(yù)計(jì)也會(huì)比EM仿真預(yù)測的值高約2至3dB。

圖4：新型三頻帶印制偶極子天線的性能。

該印制偶極子天線應(yīng)能在蜂窩電話領(lǐng)域(消費(fèi)市場)派上用場，它還可用作低成本便攜場強(qiáng)儀的電場探針。為使這種天線能正確測量電場強(qiáng)度，必須對第一個(gè)工業(yè)原型進(jìn)行校準(zhǔn)。

總之，這款低成本三頻帶印制偶極子天線設(shè)計(jì)為需要以小型天線覆蓋多頻帶的應(yīng)用展示出廣闊前景。該天線的仿真和實(shí)測結(jié)果吻合得很好，可以預(yù)期，因采用RO4350B層壓材料，該天線具有不隨溫度變化的良好頻率穩(wěn)定性，既適合手機(jī)應(yīng)用和適合電場傳感器應(yīng)用。

作者：Dimitris Kolokotronis, John Korinthios, Yorgos E. Stratakos