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天线多频设计方案

前言:天线多频如何实现,确实对于初学天线设计的朋友来讲,多频天线是一个很大的难点,但却又是不得不去克服和掌握的重点。

一、谐振分枝法

分枝法是应用最多、也是最容易理解的一种多频实现方法,在传统的GSM/DCS/PCS和双频WIFI天线的设计中应用非常广。其最简单的理解方法就是天线的一个分枝对应一个工作频段,且各个分枝之间是相互独立的,这种方法在进行分频调谐时优势非常明显,由于分枝的相对独立性,因此在调节一个频段时不会对其他的频段产生较大的影响,现在我们可以简单的看几组实物照片,如下:

天线多频设计方案
图1

1.采用分枝法的双频WIFi天线

天线多频设计方案
图2 采用分枝法GSM/DCS天线

从图1和图2来看,两种多频天线使用的都是分枝法,对于图1,其为偶极子多频天线,较短的分枝对应5G的wifi频段,而较长的分枝则对应2.45GHz的WIFI频段。图2中的2G手机天线为单极子结构形式,通过适当的馈电位置可以调整其长分枝和短分枝的有效长度,从而调整高频和低频的工作频段。

现在我使用HFSS软件设计一个简单的双频WIFI天线,来研究各分枝对天线共组频段的影响。模型和各参数变量定义如图3和图4,该偶极子天线程360度旋转对称,所以设计尺寸只需要考虑一边就可以,另一个臂只需要进行简单的旋转复制就可以。

天线多频设计方案
图3 模型变量定义

模型的初始尺寸计算(基于FR4介质的PCB天线):首先确定天线的工作频段,要求天线实现2.45GHz和5.5GHz两个频段,则各分支的长度介于相应频段0.25个介质波长~0.25个自由空间波长之间。使用长分枝实现2.45GHz的谐振,则长分枝的长度为15mm<30mm,短分枝的长度6mm,因此初始值可以定为L1=18mm,H=5mm,L2=7mm,其中L1+H实现2.45GHz的谐振,L2实现5.5GHz的谐振,模型建立如图4:

天线多频设计方案
图4 HFSS建立的三维模型
经过HFSS软件仿真优化之后最终参数值确定如下:L1=18.5mm,H=3mm,L2=7mm,其S11参数求解如图5所示,从图中可以看出,天线在2.45GHz和5.5GHz频段上都具有非常好的阻抗和带宽特性,满足双频WIFI的工作要求。
天线多频设计方法详解
图5 S11仿真图

现在来分析不同分支发生变化时对天线工作频段的影响。取L1=16.5mm,18.5mm和20.5mm,查看此时天线的工作频段变化情况,如图6所示:

天线多频设计方法详解
图6 L1对S11的影响

从图中能看到,当L1逐渐变大时,天线在低频的工作频段逐渐减小,而高频的整体工作频段几乎没有收到影响,因此可以得到结论,L1对低频的工作频段具有决定性的影响,而对高频的影响几乎可以忽略不计。

同样,保持L1不变,取L2=5mm,7mm和9mm,S11的仿真结果如图7所示:

天线多频设计方法详解
图7 L2对S11的影响

从图可知,L2发生变化时,天线高频部分的谐振出现非常大波动,而低频部分几乎没有受到影响,因此可以得出结论,多分枝结构的多频天线分枝之间具有相对独立性。

注意:多分枝结构通常用于两个频段时效果比较理想,当频段超过三个频段或者不同长度的分枝超过三个枝节时,分枝之间的互扰会变大,枝节引起天线各个频段的性能变差,因此多分枝结构在设计时建议不超过三个分枝。

二、倍频设计

倍频方法很多朋友都不了解,倍频最简单的解释方法就是一个分枝实现多个频段,其利用了谐波的原理,把要求的工作频段f看成基波,则根据电磁学的基本理论可以知道,该信号除了在基波f频段上产生谐振以外,还会引发二次谐波、三次谐波等。在単分支的天线设计中,可以通过一些结构方式,合理的利用谐波特性来实现単分支结构天线的多频谐振。

对于一个标准结构的单极子或者偶极子天线(如图8),如果天线的基波谐振频率为f0,那么天线同时会在3f0,5f0,7f0……,(2n+1)f0产生谐振,也就是天线将在基波频率的奇数倍产生谐振,在偶数倍由于谐波的抵销效应而不会产生谐振,如图9所示。

天线多频设计方法详解
图8 标准结构的偶极子天线
天线多频设计方法详解
图9 天线倍频谐振

图8中所示的天线为工作于900MHz的标准结构PCB偶极子天线,其一个臂长为75mm,介于基波的0.25个介质波长到0.25个自由空间波长之间。图9可以非常清晰的看到,天线在900MHz,2700MHz,4500MHz都产生了谐振,但S11的值越往后越差,因此可以得出结论谐波可以被用于天线多频的设计。

当然,可能很多朋友会有这样一个疑问,単分支的多频都是出现在3倍基波的,而实际的天线设计中很少有多频天线的高频谐振点刚好出现在基波的奇数倍上,那么倍频原理还能够利用吗?

答案当然是可以利用,我在上面所演示的例子中针对的是标准的偶极子天线,也就是没有做任何弯折等方式处理标准偶极子,对这样没有处理过的偶极子或者单极子其高频谐振均靠近奇数倍的基波频点,这是理论情况。但是当对结构进行弯折等处理以后,天线的高频谐振频点会慢慢变低,如上面演示的天线,如果对偶极子进行合理的弯折处理,可以将高频的谐振频点调整到1700MHz,2400MHz左右,而低频的基波频率不会发生变化,因此通过对结构的处理可以自由的调整天线的倍频频点,现在市面上常见的弹簧多频天线就是利用了这样的设计原理,通过调整弹簧的线圈半径、螺距等参数,可以获得理想的工作频段和带宽。

三、寄生分枝的添加

寄生分枝的主要原理是通过增加一段短路的耦合枝节来产生高频谐振或者拓展高频带宽的一种方式。寄生分枝直接加入以后,会和天线的原生分枝产生耦合效应,相当于在原生分枝和寄生分枝之间添加了一个电容,原生直接通过耦合方式给寄生分枝馈电,寄生分枝将产生和自身结构尺寸相对应的谐振频点,从而拓展了整个天线的工作带宽。

如图10所示是一个通过添加寄生分枝来拓展高频带宽的例子,该天线是一个工作于GSM/DCS/PCS频段的手机PIFA天线,如下:

天线多频设计方法详解
图10 添加寄生分枝的2G手机天线
天线多频设计方法详解
图11 添加寄生分枝后S11

图12中,天线原生分枝通过倍频产生M1和M2两个工作频点,增加接地的寄生分枝后,天线拓展出M3频点,由于M2和M3两个频点离的比较近,因此M2和M3叠加以后能够极大的拓展天线在高频部分的工作带宽。

当然,寄生分枝的添加有多重多样的方式,可以向图10中那样添加到馈电端,也可以添加到天线的末端,直接通过耦合来产生新的工作频点(如图12),再或者可以通过耦合馈电的方式来拓展带宽(如图13)。

天线多频设计方法详解
图12 末端添加寄生分枝

 

天线多频设计方法详解
图13 耦合馈电

看了上面的内容,也许有些朋友还会问,我在上面所讲的方法似乎都只针对只用2-3个工作频段的设计情况,那么针对更多频段的情况又应该如何来设计,比如全网通的LTE天线,要求天线的工作频段能够覆盖当前运营商支持的五模十频、五模十七频或者直接工作频率来描述就是能够同时覆盖790-960MHz和1600-2700MHz,那么像这样的天线又应该如何来设计?

其实这类天线的设计并不难,只需要将我在前面所讲的集中多频方法进行简单的组合应用就可以,也就是说,在一副天线中可能同时用到倍频、多分枝、添加寄生分枝等多种方式,只要合理的调整结构和尺寸,就能设计出能够满足要求的LTE天线。当然,天线的设计处理仿真之外还需要大量的调试和测试才能完成,这一过程需要花不少的时间。

实例一:单极子印刷LTE手机天线设计

天线多频设计方法详解
图14 印刷单极子手机天线结构

现在我带大家来看两个LTE全网通手机天线设计的例子(手机天线对接收性能要求比较高,对发射性能要求较低,通常以S11<-6dB为手机天线的设计指标),如14所示为一副印刷单极子全网络手机天线,天线覆盖700-800MHz和1600-2500MHz,其结构如图所示。

在图14中,该天线主要利用了分枝、倍频和耦合的原理,其中D分枝和E分枝为直接馈电的两个谐振分枝,实现两个不同的工作频段;(G+C+F)分枝和(G+C+B+A)分枝为耦合枝节的两个谐振分枝,通过不同的长度实现两个不同的工作频段;(G+C+B+A)为天线中最长的一个分枝,除了自身的基波频段外,还有产生谐波倍频工作频段,具体分析如下:

G+C+B+A组合形成一段比较长的分枝(总长度接近800MHz的0.25个波长),这段分枝在G段上通过耦合获得电流,G+C+B+A分枝实现800MHz的谐振,同时,由于倍频效应,该分支将在1700MHz和2.4GHz频段附近产生倍频谐振,因此该分支能够实现800MHz,1700MHz和2400MHz三个工作频段;

D分枝和E分枝属于直接馈电的原生分枝,D直接实现1800MH左右的工作频段(长度接近于1800MHz的0.25个波长);E分枝在2.3GHz附近产生谐振(其长度接近2.2GHz的0.25个波长);

G+C+F分枝产生2GHz附近的谐振(长度接近于2GHz的0.25个波长)。

根据上面结构的预期设想,天线将同时覆盖700MHz-800MHz和1600MHz-2600MHz的所有频段,基于此来计算天线的初始尺寸和建模仿真,模型如图15。

天线多频设计方法详解
图15 印刷单极子手机天线模型

天线采用FR4介质,厚度为1mm,其S11仿真结构如图16所示。

天线多频设计方法详解
图16 印刷单极子手机天线S11仿真结果

从图16来看,天线的工作频率覆盖了700MHz-800MHz和1600MHz-2500MHz,基本符合预期的设计要求。

实例二:立体式全网络手机天线设计

图17所示为一副可以支持690-900MHz和1600-2700MHz的LTE手机天线,其结构如下。

天线多频设计方法详解
图17 立体式全网通手机天线结构

该天线结构较为简单,共有两个分枝和一个寄生分枝,其中,A分枝的基波实现800MHz的工作频段,其谐波产生1700MHz和2500MHz工作频段;B分枝实现1.8GHz的工作频段,寄生分枝通过耦合效应实现2GHz-2.4GHz的工作频段,三个分枝通过叠加组合,便可以实现预期的工作频段要求,采用HFSS的S11仿真结果如图18所示。

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图18 立体式全网通手机天线S11仿真结果

从图18来看,天线的工作频段完整的覆盖了690-900MHz和1600-2700MHz两个频段区间,因此,天线的仿真结果符合对天线结构的预期分析。

三、总结

天线的多频设计只需要掌握分枝、倍频、寄生添加等几种主要的多频方法,而后通过设计合理的结构,将几种方法组合应用,就可以实现任意多的工作频段。当然,我在博客中所讲的内容只是多频天线设计的一些常规方法,其他的还有LOOP结构应用,LC集总元件匹配,PIN二极管重构等等,我会在后面的博客中详细与大家分享。


来源:@南国飞沙,硬件之家整理

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