低成本的三频带手机天线设计

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鉴于手机和基站目前要支持越来越多的蜂窝和其它无线标准,用于无线应用的天线要比以往任何时候都要处理更多的频段。为支持对蜂窝基站实施的测量,本文采用罗杰斯公司(Rogers)的双层RO4350B层压板材制作了一款印刷电路板偶极子天线。这款紧凑的天线覆盖900、1,800和 2,100MHz蜂窝频带,很适合与用于测试蜂窝基站电场强度的低成本便携式电场强度计(场强仪)一起使用。

  测量基站周围的场强对工作位置紧邻蜂窝基站天线的技术或其他员工而言至关重要。通过采用单一设计覆盖三个波段从而就不再需多个独立天线,也即减轻了测试设备的重量、降低了成本。这款新颖的天线有助于实现一个成本低得多的便携式场强仪,其在降低成本方面的好处超过任何可用的电场感知方案。本文将讨论对该三频带印制偶极子天线设计的仿真和实测。

  随着无线系统内置功能的不断增多,对小体积、低成本印刷电路天线的需求在增加,比如一款必须要支持蓝牙、蜂窝操作、全球定位系统(GPS)等功能的手机。对一台设备内包含的多个蜂窝通信频带来说,有几种不同类型的天线可用。由于陶瓷基板材料的高介电常数,为减小天线所占空间,天线一般被制造在陶瓷基板材料上。本文提出了一种印制在罗杰斯公司的一种典型层压材料RO4350B上的低成本天线。对研制中的便携式场强仪的射频和数字电子部分来说,做在 RO4350B材料上天线的大小和所占空间,与做在陶瓷基板上的天线一样。

  RO4350B层压材料是一种强化玻璃碳氢化合物/陶瓷材料,可以用与在FR-4基板材料上制作低成本印刷电路所使用的相同方法对其进行处理。它在10GHz的电介常数为3.48,该特性使其常用于高频功率放大器设计。RO4350B层压材料具有低Z轴热膨胀系数(CTE),从而确保通过金属化过孔(PTH)互联的多层电路具有高稳定性。


表:三频带印制偶极子天线的典型电气特性。

  表中提供了该三频带印制偶极子天线的典型电气特性。图1给出了带典型尺寸的天线的物理布局,图中的红色和蓝色分别表示该印刷电路设计的顶层和底层。


图1:用于手机测试的三频带印刷偶极子天线的布线。

  该天线属于改进的反转F型天线设计。对此类宽带/多带天线来说,回波损耗非常重要。为*估该天线的回波损耗性能,采用三维(3D)电磁仿真程序 (图2)对性能进行了模拟预测,并将其与从首款在RO4350B材料上制作的天线原型得到的实测结果进行了对比(图3)。在仿真和实测结果间有明显差别 (尤其是在2.1GHz),但因测试是在非理想测试环境下进行以及在仿真时假设天线工作在开放环境,所以可容易地对这种差异进行解释。


图2:新型三频段手机天线的回波损耗特性仿真结果。

  计算机EM仿真很好地揭示了该天线的回波损耗性能。因为用于此类应用的天线总是安装在机壳内并带传导电缆,而电缆可模仿附近的射频集成电路 (RFIC),所以通过确定天线在机壳内的具体位置(即确定天线在基板上的具体位置),将进一步改善回波损耗性能。该印制天线的效率直接与回波损耗成反比,因此,为使采用印制天线的此类应用拥有尽可能高的效率,在充分考虑该产品的射频和数字电子部分所含的所有传导材料的影响后,如何正确地在建构内摆布天线的位置就成为关键一环。


图3:新型三频段手机天线的回波损耗特性测试结果。

  在仿真时假定了没有地面反射源,仿真结果显示天线的辐射模式是全方位的(图4)。但在实际应用中,反射源将以做在或安固在天线印刷电路板上附近的电子器件的形态存在。因此,可以预期,该天线测得的仰角模式将几乎是仿真得到的仰角模式的一半(以度表示)。同样,测得的增益预计也会比EM仿真预测的值高约2至3dB。


图4:新型三频带印制偶极子天线的性能。

  该印制偶极子天线应能在蜂窝电话领域(消费市场)派上用场,它还可用作低成本便携场强仪的电场探针。为使这种天线能正确测量电场强度,必须对第一个工业原型进行校准。

  总之,这款低成本三频带印制偶极子天线设计为需要以小型天线覆盖多频带的应用展示出广阔前景。该天线的仿真和实测结果吻合得很好,可以预期,因采用RO4350B层压材料,该天线具有不随温度变化的良好频率稳定性,既适合手机应用和适合电场传感器应用。

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