三頻帶手機天線設計方案

隨著無線系統內置功能的不斷增多，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牙、蜂窩操作、全球定位系統(GPS)等功能的手機。對一臺設備內包含的多個蜂窩通信頻帶來說，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，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儀的射頻和數字電子部分來說，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度的低成本便攜式電場強度計(場強儀)一起使用。鑒于手機和基站目前要支持越來越多的蜂窩和其它無線標準，用于無線應用的天線要比以往任何時候都要處理更多的頻段。

測量基站周圍的場強對工作位置緊鄰蜂窩基站天線的技術或其他員工而言至關重要。通過采用單一設計覆蓋三個波段從而就不再需多個獨立天線，也即減輕了測試設備的重量、降低了成本。這款新穎的天線有助于實現一個成本低得多的便攜式場強儀，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計的仿真和實測。

RO4350B層壓材料是一種強化玻璃碳氫化合物/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行處理。它在10GHz的電介常數為3.48，該特性使其常用于高頻功率放大器設計。RO4350B層壓材料具有低Z軸熱膨脹系數(CTE)，從而確保通過金屬化過孔(PTH)互聯的多層電路具有高穩定性。

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，圖中的紅色和藍色分別表示該印刷電路設計的頂層和底層。

圖1：用于手機測試的三頻帶印刷偶極子天線的布線。

該天線屬于改進的反轉F型天線設計。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)對性能進行了模擬預測，并將其與從首款在RO4350B材料上制作的天線原型得到的實測結果進行了對比(圖3)。在仿真和實測結果間有明顯差別(尤其是在2.1GHz)，但因測試是在非理想測試環境下進行以及在仿真時假設天線工作在開放環境，所以可容易地對這種差異進行解釋。

圖2：新型三頻段手機天線的回波損耗特性仿真結果。

計算機EM仿真很好地揭示了該天線的回波損耗性能。因為用于此類應用的天線總是安裝在機殼內并帶傳導電纜，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殼內的具體位置(即確定天線在基板上的具體位置)，將進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用擁有盡可能高的效率，在充分考慮該產品的射頻和數字電子部分所含的所有傳導材料的影響后，如何正確地在建構內擺布天線的位置就成為關鍵一環。

圖3：新型三頻段手機天線的回波損耗特性測試結果。

在仿真時假定了沒有地面反射源，仿真結果顯示天線的輻射模式是全方位的(圖4)。但在實際應用中，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存在。因此，可以預期，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，測得的增益預計也會比EM仿真預測的值高約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能在蜂窩電話領域(消費市場)派上用場，它還可用作低成本便攜場強儀的電場探針。為使這種天線能正確測量電場強度，必須對第一個工業原型進行校準。

總之，這款低成本三頻帶印制偶極子天線設計為需要以小型天線覆蓋多頻帶的應用展示出廣闊前景。該天線的仿真和實測結果吻合得很好，可以預期，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定性，既適合手機應用和適合電場傳感器應用。

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