如何實(shí)現(xiàn)天線多頻的三種解決方案

前言：天線多頻如何實(shí)現(xiàn)，確實(shí)對(duì)于初學(xué)天線設(shè)計(jì)的朋友來講，多頻天線是一個(gè)很大的難點(diǎn)，但卻又是不得不去克服和掌握的重點(diǎn)。

一、諧振分枝法

分枝法是應(yīng)用最多、也是最容易理解的一種多頻實(shí)現(xiàn)方法，在傳統(tǒng)的GSM/DCS/PCS和雙頻WIFI天線的設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣。其最簡單的理解方法就是天線的一個(gè)分枝對(duì)應(yīng)一個(gè)工作頻段，且各個(gè)分枝之間是相互獨(dú)立的，這種方法在進(jìn)行分頻調(diào)諧時(shí)優(yōu)勢非常明顯，由于分枝的相對(duì)獨(dú)立性，因此在調(diào)節(jié)一個(gè)頻段時(shí)不會(huì)對(duì)其他的頻段產(chǎn)生較大的影響，現(xiàn)在我們可以簡單的看幾組實(shí)物照片，如下：

圖1

1.采用分枝法的雙頻WIFi天線

圖2采用分枝法GSM/DCS天線

從圖1和圖2來看，兩種多頻天線使用的都是分枝法，對(duì)于圖1，其為偶極子多頻天線，較短的分枝對(duì)應(yīng)5G的wifi頻段，而較長的分枝則對(duì)應(yīng)2.45GHz的WIFI頻段。圖2中的2G手機(jī)天線為單極子結(jié)構(gòu)形式，通過適當(dāng)?shù)酿侂娢恢每梢哉{(diào)整其長分枝和短分枝的有效長度，從而調(diào)整高頻和低頻的工作頻段。

現(xiàn)在我使用HFSS軟件設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的雙頻WIFI天線，來研究各分枝對(duì)天線共組頻段的影響。模型和各參數(shù)變量定義如圖3和圖4，該偶極子天線程360度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所以設(shè)計(jì)尺寸只需要考慮一邊就可以，另一個(gè)臂只需要進(jìn)行簡單的旋轉(zhuǎn)復(fù)制就可以。

圖3模型變量定義

模型的初始尺寸計(jì)算（基于FR4介質(zhì)的PCB天線）：首先確定天線的工作頻段，要求天線實(shí)現(xiàn)2.45GHz和5.5GHz兩個(gè)頻段，則各分支的長度介于相應(yīng)頻段0.25個(gè)介質(zhì)波長~0.25個(gè)自由空間波長之間。使用長分枝實(shí)現(xiàn)2.45GHz的諧振，則長分枝的長度為15mm<30mm，短分枝的長度6mm，因此初始值可以定為L1=18mm，H=5mm，L2=7mm，其中L1+H實(shí)現(xiàn)2.45GHz的諧振，L2實(shí)現(xiàn)5.5GHz的諧振，模型建立如圖4：

圖4 HFSS建立的三維模型

經(jīng)過HFSS軟件仿真優(yōu)化之后最終參數(shù)值確定如下：L1=18.5mm,H=3mm，L2=7mm，其S11參數(shù)求解如圖5所示，從圖中可以看出，天線在2.45GHz和5.5GHz頻段上都具有非常好的阻抗和帶寬特性，滿足雙頻WIFI的工作要求。

圖5 S11仿真圖

現(xiàn)在來分析不同分支發(fā)生變化時(shí)對(duì)天線工作頻段的影響。取L1=16.5mm，18.5mm和20.5mm，查看此時(shí)天線的工作頻段變化情況，如圖6所示：

圖6 L1對(duì)S11的影響

從圖中能看到，當(dāng)L1逐漸變大時(shí)，天線在低頻的工作頻段逐漸減小，而高頻的整體工作頻段幾乎沒有收到影響，因此可以得到結(jié)論，L1對(duì)低頻的工作頻段具有決定性的影響，而對(duì)高頻的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

同樣，保持L1不變，取L2=5mm，7mm和9mm，S11的仿真結(jié)果如圖7所示：

圖7 L2對(duì)S11的影響

從圖可知，L2發(fā)生變化時(shí)，天線高頻部分的諧振出現(xiàn)非常大波動(dòng)，而低頻部分幾乎沒有受到影響，因此可以得出結(jié)論，多分枝結(jié)構(gòu)的多頻天線分枝之間具有相對(duì)獨(dú)立性。

注意：多分枝結(jié)構(gòu)通常用于兩個(gè)頻段時(shí)效果比較理想，當(dāng)頻段超過三個(gè)頻段或者不同長度的分枝超過三個(gè)枝節(jié)時(shí)，分枝之間的互擾會(huì)變大，枝節(jié)引起天線各個(gè)頻段的性能變差，因此多分枝結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)建議不超過三個(gè)分枝。

二、倍頻設(shè)計(jì)

倍頻方法很多朋友都不了解，倍頻最簡單的解釋方法就是一個(gè)分枝實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段，其利用了諧波的原理，把要求的工作頻段f看成基波，則根據(jù)電磁學(xué)的基本理論可以知道，該信號(hào)除了在基波f頻段上產(chǎn)生諧振以外，還會(huì)引發(fā)二次諧波、三次諧波等。在単分支的天線設(shè)計(jì)中，可以通過一些結(jié)構(gòu)方式，合理的利用諧波特性來實(shí)現(xiàn)単分支結(jié)構(gòu)天線的多頻諧振。

對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的單極子或者偶極子天線（如圖8），如果天線的基波諧振頻率為f0，那么天線同時(shí)會(huì)在3f0，5f0，7f0……，(2n+1)f0產(chǎn)生諧振，也就是天線將在基波頻率的奇數(shù)倍產(chǎn)生諧振，在偶數(shù)倍由于諧波的抵銷效應(yīng)而不會(huì)產(chǎn)生諧振，如圖9所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的偶極子天線

圖9天線倍頻諧振

圖8中所示的天線為工作于900MHz的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)PCB偶極子天線，其一個(gè)臂長為75mm,介于基波的0.25個(gè)介質(zhì)波長到0.25個(gè)自由空間波長之間。圖9可以非常清晰的看到，天線在900MHz，2700MHz，4500MHz都產(chǎn)生了諧振，但S11的值越往后越差，因此可以得出結(jié)論諧波可以被用于天線多頻的設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，可能很多朋友會(huì)有這樣一個(gè)疑問，単分支的多頻都是出現(xiàn)在3倍基波的，而實(shí)際的天線設(shè)計(jì)中很少有多頻天線的高頻諧振點(diǎn)剛好出現(xiàn)在基波的奇數(shù)倍上，那么倍頻原理還能夠利用嗎？

答案當(dāng)然是可以利用，我在上面所演示的例子中針對(duì)的是標(biāo)準(zhǔn)的偶極子天線，也就是沒有做任何彎折等方式處理標(biāo)準(zhǔn)偶極子，對(duì)這樣沒有處理過的偶極子或者單極子其高頻諧振均靠近奇數(shù)倍的基波頻點(diǎn)，這是理論情況。但是當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎折等處理以后，天線的高頻諧振頻點(diǎn)會(huì)慢慢變低，如上面演示的天線，如果對(duì)偶極子進(jìn)行合理的彎折處理，可以將高頻的諧振頻點(diǎn)調(diào)整到1700MHz，2400MHz左右，而低頻的基波頻率不會(huì)發(fā)生變化，因此通過對(duì)結(jié)構(gòu)的處理可以自由的調(diào)整天線的倍頻頻點(diǎn)，現(xiàn)在市面上常見的彈簧多頻天線就是利用了這樣的設(shè)計(jì)原理，通過調(diào)整彈簧的線圈半徑、螺距等參數(shù)，可以獲得理想的工作頻段和帶寬。

三、寄生分枝的添加

寄生分枝的主要原理是通過增加一段短路的耦合枝節(jié)來產(chǎn)生高頻諧振或者拓展高頻帶寬的一種方式。寄生分枝直接加入以后，會(huì)和天線的原生分枝產(chǎn)生耦合效應(yīng)，相當(dāng)于在原生分枝和寄生分枝之間添加了一個(gè)電容，原生直接通過耦合方式給寄生分枝饋電，寄生分枝將產(chǎn)生和自身結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)，從而拓展了整個(gè)天線的工作帶寬。

如圖10所示是一個(gè)通過添加寄生分枝來拓展高頻帶寬的例子，該天線是一個(gè)工作于GSM/DCS/PCS頻段的手機(jī)PIFA天線，如下：

圖10 添加寄生分枝的2G手機(jī)天線

圖11添加寄生分枝后S11

圖12中，天線原生分枝通過倍頻產(chǎn)生M1和M2兩個(gè)工作頻點(diǎn)，增加接地的寄生分枝后，天線拓展出M3頻點(diǎn)，由于M2和M3兩個(gè)頻點(diǎn)離的比較近，因此M2和M3疊加以后能夠極大的拓展天線在高頻部分的工作帶寬。

當(dāng)然，寄生分枝的添加有多重多樣的方式，可以向圖10中那樣添加到饋電端，也可以添加到天線的末端，直接通過耦合來產(chǎn)生新的工作頻點(diǎn)（如圖12），再或者可以通過耦合饋電的方式來拓展帶寬（如圖13）。

圖12末端添加寄生分枝

圖13耦合饋電

看了上面的內(nèi)容，也許有些朋友還會(huì)問，我在上面所講的方法似乎都只針對(duì)只用2-3個(gè)工作頻段的設(shè)計(jì)情況，那么針對(duì)更多頻段的情況又應(yīng)該如何來設(shè)計(jì)，比如全網(wǎng)通的LTE天線，要求天線的工作頻段能夠覆蓋當(dāng)前運(yùn)營商支持的五模十頻、五模十七頻或者直接工作頻率來描述就是能夠同時(shí)覆蓋790-960MHz和1600-2700MHz，那么像這樣的天線又應(yīng)該如何來設(shè)計(jì)？

其實(shí)這類天線的設(shè)計(jì)并不難，只需要將我在前面所講的集中多頻方法進(jìn)行簡單的組合應(yīng)用就可以，也就是說，在一副天線中可能同時(shí)用到倍頻、多分枝、添加寄生分枝等多種方式，只要合理的調(diào)整結(jié)構(gòu)和尺寸，就能設(shè)計(jì)出能夠滿足要求的LTE天線。當(dāng)然，天線的設(shè)計(jì)處理仿真之外還需要大量的調(diào)試和測試才能完成，這一過程需要花不少的時(shí)間。

實(shí)例一：單極子印刷LTE手機(jī)天線設(shè)計(jì)

圖14印刷單極子手機(jī)天線結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在我?guī)Т蠹襾砜磧蓚€(gè)LTE全網(wǎng)通手機(jī)天線設(shè)計(jì)的例子(手機(jī)天線對(duì)接收性能要求比較高，對(duì)發(fā)射性能要求較低，通常以S11<-6dB為手機(jī)天線的設(shè)計(jì)指標(biāo))，如14所示為一副印刷單極子全網(wǎng)絡(luò)手機(jī)天線，天線覆蓋700-800MHz和1600-2500MHz，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

在圖14中，該天線主要利用了分枝、倍頻和耦合的原理，其中D分枝和E分枝為直接饋電的兩個(gè)諧振分枝，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的工作頻段；(G+C+F)分枝和（G+C+B+A）分枝為耦合枝節(jié)的兩個(gè)諧振分枝，通過不同的長度實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的工作頻段；(G+C+B+A)為天線中最長的一個(gè)分枝，除了自身的基波頻段外，還有產(chǎn)生諧波倍頻工作頻段，具體分析如下：

G+C+B+A組合形成一段比較長的分枝（總長度接近800MHz的0.25個(gè)波長），這段分枝在G段上通過耦合獲得電流，G+C+B+A分枝實(shí)現(xiàn)800MHz的諧振，同時(shí)，由于倍頻效應(yīng)，該分支將在1700MHz和2.4GHz頻段附近產(chǎn)生倍頻諧振，因此該分支能夠?qū)崿F(xiàn)800MHz，1700MHz和2400MHz三個(gè)工作頻段；

D分枝和E分枝屬于直接饋電的原生分枝，D直接實(shí)現(xiàn)1800MH左右的工作頻段（長度接近于1800MHz的0.25個(gè)波長）；E分枝在2.3GHz附近產(chǎn)生諧振（其長度接近2.2GHz的0.25個(gè)波長）；

G+C+F分枝產(chǎn)生2GHz附近的諧振（長度接近于2GHz的0.25個(gè)波長）。

根據(jù)上面結(jié)構(gòu)的預(yù)期設(shè)想，天線將同時(shí)覆蓋700MHz-800MHz和1600MHz-2600MHz的所有頻段，基于此來計(jì)算天線的初始尺寸和建模仿真，模型如圖15。

圖15印刷單極子手機(jī)天線模型

天線采用FR4介質(zhì)，厚度為1mm，其S11仿真結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16印刷單極子手機(jī)天線S11仿真結(jié)果

從圖16來看，天線的工作頻率覆蓋了700MHz-800MHz和1600MHz-2500MHz，基本符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)例二：立體式全網(wǎng)絡(luò)手機(jī)天線設(shè)計(jì)

圖17所示為一副可以支持690-900MHz和1600-2700MHz的LTE手機(jī)天線，其結(jié)構(gòu)如下。

圖17立體式全網(wǎng)通手機(jī)天線結(jié)構(gòu)

該天線結(jié)構(gòu)較為簡單，共有兩個(gè)分枝和一個(gè)寄生分枝，其中，A分枝的基波實(shí)現(xiàn)800MHz的工作頻段，其諧波產(chǎn)生1700MHz和2500MHz工作頻段；B分枝實(shí)現(xiàn)1.8GHz的工作頻段，寄生分枝通過耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)2GHz-2.4GHz的工作頻段，三個(gè)分枝通過疊加組合，便可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作頻段要求，采用HFSS的S11仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18立體式全網(wǎng)通手機(jī)天線S11仿真結(jié)果

從圖18來看，天線的工作頻段完整的覆蓋了690-900MHz和1600-2700MHz兩個(gè)頻段區(qū)間，因此，天線的仿真結(jié)果符合對(duì)天線結(jié)構(gòu)的預(yù)期分析。

三、總結(jié)

天線的多頻設(shè)計(jì)只需要掌握分枝、倍頻、寄生添加等幾種主要的多頻方法，而后通過設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，將幾種方法組合應(yīng)用，就可以實(shí)現(xiàn)任意多的工作頻段。