一种双馈双频天线的设计和仿真测试

李啸啸，袁正道，朱灿焰

（①苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006；②河南广播电视大学 信息工程系，河南 郑州 450008）

0 引言

随着无线通讯产品技术上的日新月异，将手机作为便携式终端已成为时尚，高速数据通信以及强大的多媒体功能必须在手机上集成很多元件，所以缩小天线整体面积或体积是未来必然的趋势。具有多种强大功能的手机一般都具有GPS定位系统，以及BT/WIFI短距离无线传输以及局域网功能。为有良好的收发讯号品质，手机内置天线多半采用全方向性辐射场型的线性极化天线[1]，通常情况下需要分别做一个GPS天线和一个 BT/WIFI天线并且分别放在手机主板的不同位置。这样就会占用PCB板上的两个空间，不能满足天线小型化的设计需求。这里介绍的手机内置陶瓷天线采用新型高介电常数材料作为天线支架，达到天线体积缩小的目的，并且设计出新颖的双频天线模型使天线可以覆盖的通讯频段包括GPS和BT/WIFI。这样只需要在PCB板上留存一个空间就够了。且这款天线具有近似全方向性的辐射场型，结构简单，易与PCB板整合[2]。

1 天线结构设计

图1为双频陶瓷天线的展平几何结构图。通过在陶瓷表面的银层上开不同长度的槽，并通过槽之间的耦合来形成两个谐振，陶瓷的高介电常数，使得相同的频率在陶瓷表面需要的线长就短，这是陶瓷天线可以满足小型化需求的原因。该天线具有全向性辐射，低剖面，整体尺寸为 10 mm×3.2 mm×1.5 mm；采用无铅材料，无铅焊接，全部SMD打板，对称的PAD点layout。

此款陶瓷天线的印刷平面测试基板采用的是长度为96 mm宽度为45 mm的FR-4玻纤板，介电常数εr为4.9，厚度为0.5 mm,净空面积为10.8 mm×6.4 mm，如图2所示；有两个50 Ω馈线，宽度为1.97 mm。陶瓷天线支架本身是由介电常数εr为32，损耗正切＜ 0.001陶瓷粉末经高温压制成型的[2]。

图1 双频陶瓷天线几何结构

图2 天线下方的净空区域

2 天线设计参数仿真优化

天线在CST里的仿真模型如图3所示。经过多次仿真，GPS和BT的变化规律如图4所示：改变槽S1的宽度可以左右偏移BT的谐振。增加线长即缩小S1的槽宽，BT谐振偏低，如位于中心轴2.45 GHz左边的谐振所示；相反剪短线长即加宽S1的槽宽，BT谐振偏高，如位于中心轴2.45 GHz右边的谐振所示。如果改变槽S2可以左右偏移GPS的谐振，增加线长即缩小 S2的槽宽，GPS谐振偏低，如位于中心轴1.575 GHz左边的谐振所示；相反剪短线长即加宽S2的槽宽，GPS谐振偏高，如位于中心轴1.575 GHz右边的谐振所示。通过不断的优化，最终调正的驻波仿真结果如图4中谐振的中心点正好位于1.575 GHz和2.45 GHz的轴上，分别显示GPS的S11是-13.865 dB，BT的S11是-12.862 dB。

图3 陶瓷天线在CST软件仿真中的模型

图4 GPS和BT频段仿真结果

根据上诉仿真的天线尺寸加工的天线实物，并使用安捷伦的网络分析仪 8753E对实物测试驻波、史密斯圆图、VSWR，结果分别如图5和图6所示。从驻波上可以看到GPS单点1 575.42 MHz的回波损耗有-14.5 dB，比较深，Smith圆图上偏容性，但在中心50 Ω附近，说明阻抗匹配的不错；同时VSWR很深，比较接近1,也说明源端和负载端的阻抗匹配良好。同样BT的边缘频点2.4 GHz的S11为－4.65 dB，2.5 GHz的S11为-4.33 dB。Smith圆图上也偏容性，中心值也在中心50 Ω附近，阻抗匹配良好；VSWR也比较深,负载接在传输线上的匹配程度较高。两者最差点的隔离度如图 7所示为－23 dB，隔离度好，不会产生相互影响。

图5 双频陶瓷天线GPS频段的S11，smith圆图，VSWR

图6 双频陶瓷天线BT频段的S11，smith圆图，VSWR

图7 双频陶瓷天线GPS和BT的隔离度

将上述实物放入ETS(7 m×7 m×4 m)的暗室里测试天线远场辐射图和天线效率。结果如图8所示。从图8中可以看出，GPS效率EFF在52%以上；BT效率EFF在51%以上，效率较高，实际使用时加上双工器损耗1 dB，也能满足实际生产的需要。天线的辐射方向图也表明天线基本处于全向辐射。

图8 陶瓷天线GPS频段在ETS暗室里测试的方向

3 结语

设计出的这种双馈双频陶瓷天线,经过 Pulse苏州 ETS暗室认证测试得到的结果可以看出：天线的方向图基本处于全向辐射，效率和增益都比较高，具有良好的辐射性能,而且体积小,结构新颖, 一致性好，性能稳定，用SMT工艺贴装，非常方便。与以往陶瓷天线一般只有一个频段不同的是可以覆盖GPS和BT/WIFI两个频段,适合现阶段的手机天线小型化发展趋势。且这款天线还可根据客户对规格与形状的不同要求，量身定做，适用范围广，具有非常高的市场应用价值。

[1] 李明,单志勇,黄小倩.抗干扰设备中的Sierpinski分形微带天线[J].通信技术，2011,44(02):39-41.

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