李嘯嘯，袁正道，朱燦焰

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

0 引言

隨著無線通訊產(chǎn)品技術(shù)上的日新月異，將手機(jī)作為便攜式終端已成為時(shí)尚，高速數(shù)據(jù)通信以及強(qiáng)大的多媒體功能必須在手機(jī)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(qiáng)大功能的手機(jī)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(zhì)，手機(jī)內(nèi)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(gè)GPS天線和一個(gè) BT/WIFI天線并且分別放在手機(jī)主板的不同位置。這樣就會(huì)占用PCB板上的兩個(gè)空間，不能滿足天線小型化的設(shè)計(jì)需求。這里介紹的手機(jī)內(nèi)置陶瓷天線采用新型高介電常數(shù)材料作為天線支架，達(dá)到天線體積縮小的目的，并且設(shè)計(jì)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(gè)空間就夠了。且這款天線具有近似全方向性的輻射場型，結(jié)構(gòu)簡單，易與PCB板整合[2]。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為雙頻陶瓷天線的展平幾何結(jié)構(gòu)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(jié)構(gòu)

圖2 天線下方的凈空區(qū)域

2 天線設(shè)計(jì)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(diào)正的駐波仿真結(jié)果如圖4中諧振的中心點(diǎn)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(jié)果

根據(jù)上訴仿真的天線尺寸加工的天線實(shí)物，并使用安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀 8753E對實(shí)物測試駐波、史密斯圓圖、VSWR，結(jié)果分別如圖5和圖6所示。從駐波上可以看到GPS單點(diǎn)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(cuò)；同時(shí)VSWR很深，比較接近1,也說明源端和負(fù)載端的阻抗匹配良好。同樣BT的邊緣頻點(diǎn)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(fù)載接在傳輸線上的匹配程度較高。兩者最差點(diǎn)的隔離度如圖 7所示為－23 dB，隔離度好，不會(huì)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(shí)物放入ETS(7 m×7 m×4 m)的暗室里測試天線遠(yuǎn)場輻射圖和天線效率。結(jié)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(shí)際使用時(shí)加上雙工器損耗1 dB，也能滿足實(shí)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(jié)語

設(shè)計(jì)出的這種雙饋雙頻陶瓷天線,經(jīng)過 Pulse蘇州 ETS暗室認(rèn)證測試得到的結(jié)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(jié)構(gòu)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(gè)頻段不同的是可以覆蓋GPS和BT/WIFI兩個(gè)頻段,適合現(xiàn)階段的手機(jī)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(yīng)用價(jià)值。

[1] 李明,單志勇,黃小倩.抗干擾設(shè)備中的Sierpinski分形微帶天線[J].通信技術(shù)，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.