低成本的三頻帶手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

鑒于手機(jī)和基站目前要支持越來(lái)越多的蜂窩和其它無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，用于無(wú)線(xiàn)應(yīng)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(duì)蜂窩基站實(shí)施的測(cè)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(cè)試蜂窩基站電場(chǎng)強(qiáng)度的低成本便攜式電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)(場(chǎng)強(qiáng)儀)一起使用。

　　測(cè)量基站周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)對(duì)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(shè)計(jì)覆蓋三個(gè)波段從而就不再需多個(gè)獨(dú)立天線(xiàn)，也即減輕了測(cè)試設(shè)備的重量、降低了成本。這款新穎的天線(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)一個(gè)成本低得多的便攜式場(chǎng)強(qiáng)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(duì)該三頻帶印制偶極子天線(xiàn)設(shè)計(jì)的仿真和實(shí)測(cè)。

　　隨著無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)置功能的不斷增多，對(duì)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(lán)牙、蜂窩操作、全球定位系統(tǒng)(GPS)等功能的手機(jī)。對(duì)一臺(tái)設(shè)備內(nèi)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(shù)，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(duì)研制中的便攜式場(chǎng)強(qiáng)儀的射頻和數(shù)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(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(duì)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(guò)金屬化過(guò)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(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(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(cè)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(zhuǎn)F型天線(xiàn)設(shè)計(jì)。對(duì)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(duì)性能進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，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(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(圖3)。在仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果間有明顯差別 (尤其是在2.1GHz)，但因測(cè)試是在非理想測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行以及在仿真時(shí)假設(shè)天線(xiàn)工作在開(kāi)放環(huán)境，所以可容易地對(duì)這種差異進(jìn)行解釋。

圖2：新型三頻段手機(jī)天線(xiàn)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(xiàn)的回波損耗性能。因?yàn)橛糜诖祟?lèi)應(yīng)用的天線(xiàn)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(guò)確定天線(xiàn)在機(jī)殼內(nèi)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(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(xiàn)的位置就成為關(guān)鍵一環(huán)。

圖3：新型三頻段手機(jī)天線(xiàn)的回波損耗特性測(cè)試結(jié)果。

　　在仿真時(shí)假定了沒(méi)有地面反射源，仿真結(jié)果顯示天線(xiàn)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(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(yù)期，該天線(xiàn)測(cè)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(cè)得的增益預(yù)計(jì)也會(huì)比EM仿真預(yù)測(cè)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(yīng)能在蜂窩電話(huà)領(lǐng)域(消費(fèi)市場(chǎng))派上用場(chǎng)，它還可用作低成本便攜場(chǎng)強(qiáng)儀的電場(chǎng)探針。為使這種天線(xiàn)能正確測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度，必須對(duì)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(xiàn)設(shè)計(jì)為需要以小型天線(xiàn)覆蓋多頻帶的應(yīng)用展示出廣闊前景。該天線(xiàn)的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合得很好，可以預(yù)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(wěn)定性，既適合手機(jī)應(yīng)用和適合電場(chǎng)傳感器應(yīng)用。