一種新型寬帶移動終端天線設(shè)計方案

馬群洲，高攸綱

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

引言

微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等優(yōu)良特性，但是微帶天線是典型的窄帶天線，由于其較小的尺寸和較大的Q值的限制，使得它的帶寬很窄，如何有效地擴展微帶天線的帶寬成為一個廣泛的課題。微帶天線的帶寬展寬主要有這幾個途徑：

降低Q值[1-3]：這主要是通過增加基片厚度和降低基片相對介電常數(shù)來實現(xiàn)的。增加基片厚度，從物理意義上說，增大基板的厚度就是增大了微帶貼片四周縫隙的寬度，從而增加了從諧振腔中輻射出的能量。但是增加基片厚度在無線通信終端上常常會帶來終端厚度的增加。采用具有較大損耗的基板材料可以降低諧振腔的Q值，使天線的阻抗帶寬明顯展寬，但這是以犧牲天線效率為代價的。降低天線的介電常數(shù)可以減小諧振腔中儲存的電場能量，從而降低天線Q值，但是降低介電常數(shù)的潛力是有限的（最小為空氣，1）。

采用多諧振技術(shù)[1-3]：修改諧振電路，采用多層結(jié)構(gòu)，或者寄生諧振電路，使得相疊的兩片分別調(diào)諧與不同的頻率，從而使得工作頻帶展寬。

增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[4]：通過在天線和饋電點之間加入寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也可以獲得寬頻帶的天線性能，但是這會由于匹配器件的損耗性帶來額外的輻射效率降低。

微帶天線的多頻段技術(shù)[1,5]：實現(xiàn)微帶天線的多頻段工作一般會有三種方式：單片多模法、單片加載法、多片法。單片法只用一個貼片，但利用不同的模式工作，或利用加載實現(xiàn)幾個不同的諧振頻率以實現(xiàn)多頻工作；多片法是利用諧振頻率不同的多個貼片來工作。

文章同時采用微帶天線頻帶展寬技術(shù)和多頻段技術(shù)，實現(xiàn)了一個在可以實現(xiàn)五頻段內(nèi)具有VSWR<3的駐波比的天線。

1 基本理論

微帶天線分析方法：天線分析的問題就是求解天線在空間的Maxwell方程組，也即電磁場分布。求得電磁場分布后，進而可以得出天線的電流分布和方向圖、增益、輸入阻抗等特性指標(biāo)。

分析微帶天線比較常用的理論模型是傳輸線模型（見圖1）。傳輸線模型將矩形微帶天線看成是場沿橫向沒有變化的傳輸線諧振器，場只沿長度方向按駐波變化，通常是半個波長，輻射主要是開路端的邊緣場產(chǎn)生[2]。

貼片的寬度a的大小影響著微帶天線的輸入電阻特性，因此影響天線的阻抗帶寬。貼片寬度a一般由下式?jīng)Q定，當(dāng)貼片寬度a大于上式時，則會產(chǎn)生高次模。

c為光速， fr為微帶天線的諧振頻率，rε為介質(zhì)板介電常數(shù)。

貼片長度b原則上是1/2諧振波長，但是考慮到邊緣縮 放效應(yīng)后，實際貼片長度b由下式?jīng)Q定。

其中哈默斯塔德給出的Δl經(jīng)驗公式為：

有效介電常數(shù)為：

2 天線結(jié)構(gòu)與仿真模型

文章提出的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，其制作在相對介電常數(shù)為4.4，厚度為0.8的玻璃纖維環(huán)氧樹脂介質(zhì)板上。為了提高天線的帶寬，天線的左邊部分采用了寄生天線，以提高高頻部分的帶寬，同時為了彌補長度不夠的不足，寄生部分的接地通過采用串聯(lián)一個12nH的電感實現(xiàn)接地。為了提高低頻部分的帶寬，接地板的地分成了兩個部分，中間縫隙為1mm，兩個地通過一個10nH的電感相連接，具體天線尺寸參見圖2。

圖1 微帶天線等效模型

3 仿真與分析

圖2 天線尺寸圖

圖3 天線阻抗回波損耗和阻抗圓圖

圖4 電流分布圖

如圖3所示為天線的回波損耗仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，天線在0.816GHz～1.099GHz頻段和1.701GHz～2.260GHz頻段內(nèi)回波損耗均可以達到-6dB。其中低頻部分主要是由地板之間的縫隙部分和主天線輻射片產(chǎn)生，高頻的第一個諧振點部分主要是由主輻射片的左半部分和寄生天線產(chǎn)生，高頻的第二個諧振點部分則主要是由地板之間的縫隙部分和寄生天線產(chǎn)生。圖4(a)（b） (c)分別是這三個頻點的電流分布圖，從圖我們可以明顯的看出天線諧振的產(chǎn)生部分。

圖5 在縫隙中串聯(lián)不同電感值時的回波損耗

圖6 天線輻射方向圖

圖7 天線實物圖

圖8 實測天線結(jié)果

對于低頻，其主要輻射來自于地板間的縫隙和主輻射片兩部分，兩個諧振點在比較合適的間距情況下，可以形成參差調(diào)諧，有效的擴展帶寬。而對于縫隙輻射，串聯(lián)的電感起到調(diào)節(jié)諧振頻率的作用。通過調(diào)整不同的電感值，可以實現(xiàn)低頻帶寬的優(yōu)化，下圖5就是對應(yīng)一組電感值的回波損耗，電感值L有(4nH,7nH,10nH,13nH,16nH)，顯然在選擇10nH的時候，可以獲得較寬的低頻帶寬。

圖6(a) (b) (c)分別是天線在0.960GHz，1.691GHz，2.072GHz時的方向圖，由圖b可知天線輻射性能基本達到全向，滿足移動通信終端的工作需要。

4 實際測試結(jié)果

圖7為最終所制作的天線實物，并用網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行了阻抗測試，而且在天線暗室中進行了效率測試，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，圖8（a）為測試的回波損耗結(jié)果，圖8（b）為在天線暗室中測試的輻射效率。結(jié)果表明天線的阻抗特性和輻射效率都滿足五頻天線的需要。

5 結(jié)論

設(shè)計了一個寬帶天線，可以滿足GSM 850/900/1800/ 1900以及WCDMA2100五個頻段的需求，通過采用開槽，加寄生輻射片以及多層輻射片等技術(shù)，實現(xiàn)了一個五頻天線可以使用在五頻手機上。

[1]盧萬錚.天線理論與技術(shù)[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004: 245-249.

[2]鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1991: 152-159.

[3]KIN-LU WONG. Compact and Broadband Micro strip Antennas[M]. John Wiley&Sons, Inc., 2002: 129-149.

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[5] Kim Dong-Yeon. A compact tri-band PIFA with multiplefolded parasitic elements [J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2007: 259-262