低成本的三頻帶手機天線(xiàn)設計

鑒于手機和基站目前要支持越來(lái)越多的蜂窩和其它無(wú)線(xiàn)標準，用于無(wú)線(xiàn)應用的天線(xiàn)要比以往任何時(shí)候都要處理更多的頻段。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(xiàn)。這款緊湊的天線(xiàn)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(chǎng)強度的低成本便攜式電場(chǎng)強度計(場(chǎng)強儀)一起使用。

　　測量基站周?chē)膱?chǎng)強對工作位置緊鄰蜂窩基站天線(xiàn)的技術(shù)或其他員工而言至關(guān)重要。通過(guò)采用單一設計覆蓋三個(gè)波段從而就不再需多個(gè)獨立天線(xiàn)，也即減輕了測試設備的重量、降低了成本。這款新穎的天線(xiàn)有助于實(shí)現一個(gè)成本低得多的便攜式場(chǎng)強儀，其在降低成本方面的好處超過(guò)任何可用的電場(chǎng)感知方案。本文將討論對該三頻帶印制偶極子天線(xiàn)設計的仿真和實(shí)測。

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)系統內置功能的不斷增多，對小體積、低成本印刷電路天線(xiàn)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(gè)蜂窩通信頻帶來(lái)說(shuō)，有幾種不同類(lèi)型的天線(xiàn)可用。由于陶瓷基板材料的高介電常數，為減小天線(xiàn)所占空間，天線(xiàn)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(xiàn)。對研制中的便攜式場(chǎng)強儀的射頻和數字電子部分來(lái)說(shuō)，做在 RO4350B材料上天線(xiàn)的大小和所占空間，與做在陶瓷基板上的天線(xiàn)一樣。

　　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(jìn)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(guò)金屬化過(guò)孔(PTH)互聯(lián)的多層電路具有高穩定性。

表：三頻帶印制偶極子天線(xiàn)的典型電氣特性。

　　表中提供了該三頻帶印制偶極子天線(xiàn)的典型電氣特性。圖1給出了帶典型尺寸的天線(xiàn)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(xiàn)的布線(xiàn)。

　　該天線(xiàn)屬于改進(jìn)的反轉F型天線(xiàn)設計。對此類(lèi)寬帶/多帶天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，回波損耗非常重要。為*估該天線(xiàn)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)行了模擬預測，并將其與從首款在RO4350B材料上制作的天線(xiàn)原型得到的實(shí)測結果進(jìn)行了對比(圖3)。在仿真和實(shí)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(huán)境下進(jìn)行以及在仿真時(shí)假設天線(xiàn)工作在開(kāi)放環(huán)境，所以可容易地對這種差異進(jìn)行解釋。

圖2：新型三頻段手機天線(xiàn)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(xiàn)的回波損耗性能。因為用于此類(lèi)應用的天線(xiàn)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(guò)確定天線(xiàn)在機殼內的具體位置(即確定天線(xiàn)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(xiàn)的效率直接與回波損耗成反比，因此，為使采用印制天線(xiàn)的此類(lèi)應用擁有盡可能高的效率，在充分考慮該產(chǎn)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(xiàn)的位置就成為關(guān)鍵一環(huán)。

圖3：新型三頻段手機天線(xiàn)的回波損耗特性測試結果。

　　在仿真時(shí)假定了沒(méi)有地面反射源，仿真結果顯示天線(xiàn)的輻射模式是全方位的(圖4)。但在實(shí)際應用中，反射源將以做在或安固在天線(xiàn)印刷電路板上附近的電子器件的形態(tài)存在。因此，可以預期，該天線(xiàn)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(huì )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(xiàn)的性能。

　　該印制偶極子天線(xiàn)應能在蜂窩電話(huà)領(lǐng)域(消費市場(chǎng))派上用場(chǎng)，它還可用作低成本便攜場(chǎng)強儀的電場(chǎng)探針。為使這種天線(xiàn)能正確測量電場(chǎng)強度，必須對第一個(gè)工業(yè)原型進(jìn)行校準。

　　總之，這款低成本三頻帶印制偶極子天線(xiàn)設計為需要以小型天線(xiàn)覆蓋多頻帶的應用展示出廣闊前景。該天線(xiàn)的仿真和實(shí)測結果吻合得很好，可以預期，因采用RO4350B層壓材料，該天線(xiàn)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(chǎng)傳感器應用。