一種雙饋雙頻天線的設計和仿真測試

李嘯嘯，袁正道，朱燦焰

（①蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006；②河南廣播電視大學 信息工程系，河南 鄭州 450008）

0 引言

隨著無線通訊產(chǎn)品技術上的日新月異，將手機作為便攜式終端已成為時尚，高速數(shù)據(jù)通信以及強大的多媒體功能必須在手機上集成很多元件，所以縮小天線整體面積或體積是未來必然的趨勢。具有多種強大功能的手機一般都具有GPS定位系統(tǒng)，以及BT/WIFI短距離無線傳輸以及局域網(wǎng)功能。為有良好的收發(fā)訊號品質，手機內置天線多半采用全方向性輻射場型的線性極化天線[1]，通常情況下需要分別做一個GPS天線和一個 BT/WIFI天線并且分別放在手機主板的不同位置。這樣就會占用PCB板上的兩個空間，不能滿足天線小型化的設計需求。這里介紹的手機內置陶瓷天線采用新型高介電常數(shù)材料作為天線支架，達到天線體積縮小的目的，并且設計出新穎的雙頻天線模型使天線可以覆蓋的通訊頻段包括GPS和BT/WIFI。這樣只需要在PCB板上留存一個空間就夠了。且這款天線具有近似全方向性的輻射場型，結構簡單，易與PCB板整合[2]。

1 天線結構設計

圖1為雙頻陶瓷天線的展平幾何結構圖。通過在陶瓷表面的銀層上開不同長度的槽，并通過槽之間的耦合來形成兩個諧振，陶瓷的高介電常數(shù)，使得相同的頻率在陶瓷表面需要的線長就短，這是陶瓷天線可以滿足小型化需求的原因。該天線具有全向性輻射，低剖面，整體尺寸為 10 mm×3.2 mm×1.5 mm；采用無鉛材料，無鉛焊接，全部SMD打板，對稱的PAD點layout。

此款陶瓷天線的印刷平面測試基板采用的是長度為96 mm寬度為45 mm的FR-4玻纖板，介電常數(shù)εr為4.9，厚度為0.5 mm,凈空面積為10.8 mm×6.4 mm，如圖2所示；有兩個50 Ω饋線，寬度為1.97 mm。陶瓷天線支架本身是由介電常數(shù)εr為32，損耗正切＜ 0.001陶瓷粉末經(jīng)高溫壓制成型的[2]。

圖1 雙頻陶瓷天線幾何結構

圖2 天線下方的凈空區(qū)域

2 天線設計參數(shù)仿真優(yōu)化

天線在CST里的仿真模型如圖3所示。經(jīng)過多次仿真，GPS和BT的變化規(guī)律如圖4所示：改變槽S1的寬度可以左右偏移BT的諧振。增加線長即縮小S1的槽寬，BT諧振偏低，如位于中心軸2.45 GHz左邊的諧振所示；相反剪短線長即加寬S1的槽寬，BT諧振偏高，如位于中心軸2.45 GHz右邊的諧振所示。如果改變槽S2可以左右偏移GPS的諧振，增加線長即縮小 S2的槽寬，GPS諧振偏低，如位于中心軸1.575 GHz左邊的諧振所示；相反剪短線長即加寬S2的槽寬，GPS諧振偏高，如位于中心軸1.575 GHz右邊的諧振所示。通過不斷的優(yōu)化，最終調正的駐波仿真結果如圖4中諧振的中心點正好位于1.575 GHz和2.45 GHz的軸上，分別顯示GPS的S11是-13.865 dB，BT的S11是-12.862 dB。

圖3 陶瓷天線在CST軟件仿真中的模型

圖4 GPS和BT頻段仿真結果

根據(jù)上訴仿真的天線尺寸加工的天線實物，并使用安捷倫的網(wǎng)絡分析儀 8753E對實物測試駐波、史密斯圓圖、VSWR，結果分別如圖5和圖6所示。從駐波上可以看到GPS單點1 575.42 MHz的回波損耗有-14.5 dB，比較深，Smith圓圖上偏容性，但在中心50 Ω附近，說明阻抗匹配的不錯；同時VSWR很深，比較接近1,也說明源端和負載端的阻抗匹配良好。同樣BT的邊緣頻點2.4 GHz的S11為－4.65 dB，2.5 GHz的S11為-4.33 dB。Smith圓圖上也偏容性，中心值也在中心50 Ω附近，阻抗匹配良好；VSWR也比較深,負載接在傳輸線上的匹配程度較高。兩者最差點的隔離度如圖 7所示為－23 dB，隔離度好，不會產(chǎn)生相互影響。

圖5 雙頻陶瓷天線GPS頻段的S11，smith圓圖，VSWR

圖6 雙頻陶瓷天線BT頻段的S11，smith圓圖，VSWR

圖7 雙頻陶瓷天線GPS和BT的隔離度

將上述實物放入ETS(7 m×7 m×4 m)的暗室里測試天線遠場輻射圖和天線效率。結果如圖8所示。從圖8中可以看出，GPS效率EFF在52%以上；BT效率EFF在51%以上，效率較高，實際使用時加上雙工器損耗1 dB，也能滿足實際生產(chǎn)的需要。天線的輻射方向圖也表明天線基本處于全向輻射。

圖8 陶瓷天線GPS頻段在ETS暗室里測試的方向

3 結語

設計出的這種雙饋雙頻陶瓷天線,經(jīng)過 Pulse蘇州 ETS暗室認證測試得到的結果可以看出：天線的方向圖基本處于全向輻射，效率和增益都比較高，具有良好的輻射性能,而且體積小,結構新穎, 一致性好，性能穩(wěn)定，用SMT工藝貼裝，非常方便。與以往陶瓷天線一般只有一個頻段不同的是可以覆蓋GPS和BT/WIFI兩個頻段,適合現(xiàn)階段的手機天線小型化發(fā)展趨勢。且這款天線還可根據(jù)客戶對規(guī)格與形狀的不同要求，量身定做，適用范圍廣，具有非常高的市場應用價值。

[1] 李明,單志勇,黃小倩.抗干擾設備中的Sierpinski分形微帶天線[J].通信技術，2011,44(02):39-41.

[2] LIFL?NDER J. Ceramic Dual Feed GPS/BT Antenna[EB/OL].(2010-01-13)[2011-08-15].http://www.pulseeng.com/antenna.