多頻天線設計講解
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很多朋友問我天線多頻如何實作，確實對于初學天線設計的朋友來講，多頻天線是一個很大的難點，但卻又是不得不去克服和掌握的重點，今天我就在博客詳細的給大家分析講解天線實作多頻的計劃總主要方法。
一、諧振分枝法
分枝法是應用最多、也是最容易理解的一種多頻實作方法，在傳統的GSM/DCS/PCS和雙頻WIFI天線的設計中應用非常廣。其最簡單的理解方法就是天線的一個分枝對應一個作業頻段，且各個分枝之間是相互獨立的，這種方法在進行分頻調諧時優勢非常明顯，由于分枝的相對獨立性，因此在調節一個頻段時不會對其他的頻段產生較大的影響，現在我們可以簡單的看幾組實物照片，如下：
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圖1 采用分枝法的雙頻WIFi天線
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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，對于圖1，其為偶極子多頻天線，較短的分枝對應5G的wifi頻段，而較長的分枝則對應2.45GHz的WIFI頻段。圖2中的2G手機天線為單極子結構形式，通過適當的饋電位置可以調整其長分枝和短分枝的有效長度，從而調整高頻和低頻的作業頻段，現在我使用HFSS軟體設計一個簡單的雙頻WIFI天線，來研究各分枝對天線共組頻段的影響。
模型和各引數變數定義如圖3和圖4，該偶極子天執行緒360度旋轉對稱，所以設計尺寸只需要考慮一邊就可以，另一個臂只需要進行簡單的旋轉復制就可以。
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圖3 模型變數定義
模型的初始尺寸計算（基于FR4介質的PCB天線）：首先確定天線的作業頻段，要求天線實作2.45GHz和5.5GHz兩個頻段，則各分支的長度介于相應頻段0.25個介質波長~0.25個自由空間波長之間。使用長分枝實作2.45GHz的諧振，則長分枝的長度為15mm<L1+H<30mm，短分枝的長度6mm<L2<15mm，因此初始值可以定為L1=18mm，H=5mm，L2=7mm，其中L1+H實作2.45GHz的諧振，L2實作5.5GHz的諧振， 模型建立如圖4：
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圖4 HFSS建立的三維模型
經過HFSS軟體仿真優化之后最終引數值確定如下：L1=18.5mm,H=3mm，L2=7mm，其S11引數求解如圖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的作業要求。
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圖5 S11仿真圖
現在來分析不同分支發生變化時對天線作業頻段的影響.
取L1=16.5mm，18.5mm和20.5mm，查看此時天線的作業頻段變化情況，如圖6所示：
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圖6 L1對S11的影響
從圖中能看到，當L1逐漸變大時，天線在低頻的作業頻段逐漸減小，而高頻的整體作業頻段幾乎沒有收到影響，因此可以得到結論，L1對低頻的作業頻段具有決定性的影響，而對高頻的影響幾乎可以忽略不計。
同樣，保持L1不變，取L2=5mm，7mm和9mm，S11的仿真結果如圖7所示：
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圖7 L2對S11的影響
從圖可知，L2發生變化時，天線高頻部分的諧振出現非常大波動，而低頻部分幾乎沒有受到影響，因此可以得出結論，多分枝結構的多頻天線分枝之間具有相對獨立性。
注意：多分枝結構通常用于兩個頻段時效果比較理想，當頻段超過三個頻段或者不同長度的分枝超過三個枝節時，分枝之間的互擾會變大，枝節引起天線各個頻段的性能變差，因此多分枝結構在設計時建議不超過三個分枝。
二、倍頻設計
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分枝實作多個頻段，其利用了諧波的原理，把要求的作業頻段f看成基波，則根據電磁學的基本理論可以知道，該信號除了在基波f頻段上產生諧振以外，還會引發二次諧波、三次諧波等。在単分支的天線設計中，可以通過一些結構方式，合理的利用諧波特性來實作単分支結構天線的多頻諧振。
對于一個標準結構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，那么天線同時會在3f0，5f0，7f0……，(2n+1)f0產生諧振，也就是天線將在基波頻率的奇數倍產生諧振，在偶數倍由于諧波的抵銷效應而不會產生諧振，如圖9所示。
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圖8 標準結構的偶極子天線
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圖9 天線倍頻諧振
圖8中所示的天線為作業于900MHz的標準結構PCB偶極子天線，其一個臂長為75mm,介于基波的0.25個介質波長到0.25個自由空間波長之間。
圖9可以非常清晰的看到，天線在900MHz，2700MHz，4500MHz都產生了諧振，但S11的值越往后越差，因此可以得出結論諧波可以被用于天線多頻的設計。
當然，可能很多朋友會有這樣一個疑問，単分支的多頻都是出現在3倍基波的，而實際的天線設計中很少有多頻天線的高頻諧振點剛好出現在基波的奇數倍上，那么倍頻原理還能夠利用嗎？
答案當然是可以利用，我在上面所演示的例子中針對的是標準的偶極子天線，也就是沒有做任何彎折等方式處理標準偶極子，對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倍的基波頻點，這是理論情況。但是當對結構進行彎折等處理以后，天線的高頻諧振頻點會慢慢變低，如上面演示的天線，如果對偶極子進行合理的彎折處理，可以將高頻的諧振頻點調整到1700MHz，2400MHz左右，而低頻的基波頻率不會發生變化，因此通過對結構的處理可以自由的調整天線的倍頻頻點，現在市面上常見的彈簧多頻天線就是利用了這樣的設計原理，通過調整彈簧的線圈半徑、螺距等引數，可以獲得理想的作業頻段和帶寬。
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來產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，會和天線的原生分枝產生耦合效應，相當于在原生分枝和寄生分枝之間添加了一個電容，原生直接通過耦合方式給寄生分枝饋電，寄生分枝將產生和自身結構尺寸相對應的諧振頻點，從而拓展了整個天線的作業帶寬。
如圖10所示是一個通過添加寄生分枝來拓展高頻帶寬的例子，該天線是一個作業于GSM/DCS/PCS頻段的手機PIFA天線，如下：
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圖10 添加寄生分枝的2G手機天線
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圖11 添加寄生分枝后S11圖12中，天線原生分枝通過倍頻產生M1和M2兩個作業頻點，增加接地的寄生分枝后，天線拓展出M3頻點，由于M2和M3兩個頻點離的比較近，因此M2和M3疊加以后能夠極大的拓展天線在高頻部分的作業帶寬。
當然，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，直接通過耦合來產生新的作業頻點（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）。
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圖12 末端添加寄生分枝
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圖13 耦合饋電
看了上面的內容，也許有些朋友還會問，我在上面所講的方法似乎都只針對只用2-3個作業頻段的設計情況，那么針對更多頻段的情況又應該如何來設計，比如全網通的LTE天線，要求天線的作業頻段能夠覆寫當前運營商支持的五模十頻、五模十七頻或者直接作業頻率來描述就是能夠同時覆寫790-960MHz和1600-2700MHz，那么像這樣的天線又應該如何來設計？
其實這類天線的設計并不難，只需要將我在前面所講的集中多頻方法進行簡單的組合應用就可以，也就是說，在一副天線中可能同時用到倍頻、多分枝、添加寄生分枝等多種方式，只要合理的調整結構和尺寸，就能設計出能夠滿足要求的LTE天線。當然，天線的設計處理仿真之外還需要大量的除錯和測驗才能完成，這一程序需要花不少的時間。
實體一：單極子印刷LTE手機天線設計
現在我帶大家來看兩個LTE全網通手機天線設計的例子(手機天線對接收性能要求比較高，對發射性能要求較低，通常以S11<-6dB為手機天線的設計指標)，如14所示為一副印刷單極子全網路手機天線，天線覆寫700-800MHz和1600-2500MHz，其結構如圖所示。
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圖14 印刷單極子手機天線結構在圖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諧振分枝，實作兩個不同的作業頻段；(G+C+F)分枝和（G+C+B+A）分枝為耦合枝節的兩個諧振分枝，通過不同的長度實作兩個不同的作業頻段；(G+C+B+A)為天線中最長的一個分枝，除了自身的基波頻段外，還有產生諧波倍頻作業頻段，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分枝實作800MHz的諧振，同時，由于倍頻效應，該分支將在1700MHz和2.4GHz頻段附近產生倍頻諧振，因此該分支能夠實作800MHz，1700MHz和2400MHz三個作業頻段；
D分枝和E分枝屬于直接饋電的原生分枝，D直接實作1800MH左右的作業頻段（長度接近于1800MHz的0.25個波長）；E分枝在2.3GHz附近產生諧振（其長度接近2.2GHz的0.25個波長）；
G+C+F分枝產生2GHz附近的諧振（長度接近于2GHz的0.25個波長）。
根據上面結構的預期設想，天線將同時覆寫700MHz-800MHz和1600MHz-2600MHz的所有頻段，基于此來計算天線的初始尺寸和建模仿真，模型如圖15。
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圖15 印刷單極子手機天線模型
天線采用FR4介質，厚度為1mm，其S11仿真結構如圖16所示。
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圖16 印刷單極子手機天線S11仿真結果
從圖16來看，天線的作業頻率覆寫了700MHz-800MHz和1600MHz-2500MHz，基本符合預期的設計要求。實體二：立體式全網路手機天線設計圖17所示為一副可以支持690-900MHz和1600-2700MHz的LTE手機天線，其結構如下。
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圖17 立體式全網通手機天線結構
該天線結構較為簡單，共有兩個分枝和一個寄生分枝，其中，A分枝的基波實作800MHz的作業頻段，其諧波產生1700MHz和2500MHz作業頻段；B分枝實作1.8GHz的作業頻段，寄生分枝通過耦合效應實作2GHz-2.4GHz的作業頻段，三個分枝通過疊加組合，便可以實作預期的作業頻段要求，采用HFSS的S11仿真結果如圖18所示。
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圖18 立體式全網通手機天線S11仿真結果
從圖18來看，天線的作業頻段完整的覆寫了690-900MHz和1600-2700MHz兩個頻段區間，因此，天線的仿真結果符合對天線結構的預期分析。
總結：天線的多頻設計只需要掌握分枝、倍頻、寄生添加等幾種主要的多頻方法，而后通過設計合理的結構，將幾種方法組合應用，就可以實作任意多的作業頻段。當然，我在博客中所講的內容只是多頻天線設計的一些常規方法，其他的還有LOOP結構應用，LC集總元件匹配，PIN二極管重構等等，我會在后面的博客中詳細與大家分享。
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標籤：硬件設計
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