基于緊湊耦合的平面印刷單極子手機(jī)天線設(shè)計(jì)

胡海峰，姜 宇

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展和智能手機(jī)的日益普及，手機(jī)天線設(shè)計(jì)遇到了越來(lái)越多的挑戰(zhàn).這就要求手機(jī)不但具有良好的兼容性，而且對(duì)于手機(jī)內(nèi)置天線提出了更高的要求，既要滿足小型化，同時(shí)應(yīng)能工作于多頻段.平面內(nèi)置單極子天線具有小尺寸、寬頻帶、低剖面、重量輕且后向輻射小等優(yōu)點(diǎn)而成為目前小型化、多頻帶內(nèi)置天線的主要形式[1-2].

對(duì)于手機(jī)內(nèi)置天線的研究，很多研究者都做了大量的工作，文獻(xiàn)[3-5]設(shè)計(jì)了能同時(shí)工作在雙頻段或三頻段的小型化手機(jī)天線，可滿足當(dāng)前手機(jī)頻段的要求，但是不能滿足未來(lái)對(duì)LTE的發(fā)展要求.文獻(xiàn)[6-7]采用印刷式平面天線，可以應(yīng)用在LTE、GSM和DCS等頻段上，但是他們占用了手機(jī)中的較大面積，在手機(jī)電路布局時(shí)留下了很多困難.文獻(xiàn)[8-9]采用折疊或彎曲貼片技術(shù)來(lái)解決面積占用問(wèn)題，但是這樣覆蓋的頻段范圍比較少.另外，在多頻段天線的設(shè)計(jì)中，也有通過(guò)對(duì)地面修正等措施獲得良好的匹配效果.

本文基于寄生枝節(jié)緊湊耦合方法設(shè)計(jì)一款平面印刷單極子手機(jī)天線，在單極子天線基礎(chǔ)上加入一個(gè)寄生枝節(jié)實(shí)現(xiàn)多頻帶特性.傳統(tǒng)的寄生枝節(jié)一般要比平面單極子短的多，且僅枝節(jié)的一部分與平面單極子耦合，本文設(shè)計(jì)的天線中的寄生枝節(jié)和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同，它的長(zhǎng)度和平面單極子幾乎相等，實(shí)現(xiàn)了寄生枝節(jié)和平面單極子大部分耦合，共同激發(fā)低頻段諧振中心頻率950 MHz(覆蓋868～1 046 MHz)以及高頻段諧振中心頻率2.25 GHz(覆蓋1 673～2 921 MHz).這兩個(gè)頻段的覆蓋帶寬十分理想，因而可以涵蓋GSM900 /GSM1800/1900/UMTS及LTE2300/2500頻段，本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)尺寸較小，便于手機(jī)整體設(shè)計(jì)組裝.

1 天線設(shè)計(jì)方案

圖1為天線結(jié)構(gòu)圖，天線輻射單元由一個(gè)雙臂主輻射枝節(jié)、一個(gè)雙臂寄生枝節(jié)以及饋電單元構(gòu)成.與傳統(tǒng)的寄生枝節(jié)有所不同，該天線的寄生枝節(jié)大部分都與單極子枝節(jié)緊湊耦合，兩臂長(zhǎng)度與主輻射枝節(jié)相仿但均有所差異，目的是增加不同頻段的電流路徑，影響主輻射枝節(jié)的諧振頻率從而達(dá)到要求的頻率覆蓋范圍.

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

此模型采用1 mm厚的FR4材質(zhì)基板，尺寸為110×55 mm，鏤空部分面積為15×55 mm2，被激勵(lì)的單極子枝節(jié)與寄生枝節(jié)設(shè)計(jì)在鏤空部分的邊緣上方，結(jié)構(gòu)上十分緊密，第一段耦合帶隙寬gap1=0.1 mm，第二段耦合帶隙寬gap2=0.2 mm，兩條耦合帶隙提供更靈活的空間來(lái)調(diào)整天線的容性耦合，由此易于在相應(yīng)帶寬上獲得良好的阻抗匹配.

單極子枝節(jié)和寄生枝節(jié)的右臂長(zhǎng)度尺寸都接近950 MHz的1/4波長(zhǎng)，但又稍有不同，兩個(gè)輻射枝節(jié)的諧振基頻一條稍高于950 MHz，另一條略低于950 MHz，期望二者耦合下能夠得到一個(gè)良好的低頻段匹配.類似的，單極子枝節(jié)和寄生枝節(jié)的左臂長(zhǎng)度尺寸都接近2.25 GHz的1/4波長(zhǎng)，兩個(gè)輻射枝節(jié)的諧振基頻一條稍高于2.25 GHz，另一條略低于2.25 GHz，期望二者耦合下能夠得到一個(gè)更寬帶寬的高頻段匹配.另外，單極子枝節(jié)和寄生枝節(jié)的左臂可以在2.33、2.45、2.5 GHz處產(chǎn)生3個(gè)高次諧振點(diǎn)，與2.25 GHz一次諧振點(diǎn)共同作用，可為平面單極子天線提供超寬的高頻帶寬.

2 仿真結(jié)果分析

本文通過(guò)CST仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，首先對(duì)天線的性能及阻抗特性進(jìn)行了驗(yàn)證，然后通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化，得到一組最佳的天線尺寸，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)新型的低剖面、寬頻帶手機(jī)天線.

圖2為天線的回波損耗仿真結(jié)果圖，根據(jù)VSWR大于3∶1或回波損耗小于-6 dB的手機(jī)天線性能參照標(biāo)準(zhǔn)，低頻段覆蓋了868～1 046 MHz，絕對(duì)帶寬為178 MHz，滿足GSM900的頻帶覆蓋要求.高頻段覆蓋了1673～2 915 MHz，絕對(duì)帶寬為1 242 MHz，滿足GSM1800/1900/UMTS/ LTE2300/2 500的頻帶覆蓋要求.因此該天線覆蓋了GSM900/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500頻段，滿足大部分手機(jī)通信頻段的要求.

圖2 天線回波損耗仿真結(jié)果

為了分析所提出天線的良好性能，圖3給出了設(shè)計(jì)的天線以及參照天線(未加入寄生耦合枝節(jié))的回波損耗的對(duì)比仿真圖.

圖3 與參照天線回波損耗仿真結(jié)果對(duì)比

如圖3所示，未加入寄生枝節(jié)的天線低頻諧振點(diǎn)在950 MHz，其帶寬不能覆蓋880～960 MHz的頻帶要求，同樣，高頻諧振點(diǎn)在2 050 MHz附近，更不能滿足1 710～2 690 MHz的頻帶要求.當(dāng)天線加入寄生枝節(jié)后，低頻段帶寬有明顯改善，額外的600 MHz可用帶寬在高頻段產(chǎn)生，高頻諧振點(diǎn)位移至2 250 MHz，另外，單極子左枝節(jié)與寄生左枝節(jié)共同激發(fā)了三個(gè)高階共振頻率在2 330、2 450、2 500 MHz，激發(fā)了一條高階共振寬頻帶(1 673～2 915 MHz)，且匹配情況良好.下面對(duì)該天線的參數(shù)尺寸對(duì)天線S參數(shù)的影響進(jìn)行探討.

2.1 主輻射枝節(jié)L3對(duì)S11參數(shù)的影響分析

首先討論主輻射枝節(jié)L3對(duì)S11參數(shù)影響，由于L3的長(zhǎng)短決定右枝節(jié)的長(zhǎng)度，直接影響到一次諧振頻率的大小，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著L3變長(zhǎng)S11曲線應(yīng)該向更低諧振頻帶靠近，實(shí)際仿真情況和理論分析相符，如圖4(A)所示.另外，從圖4(B)中觀察到L3對(duì)高頻段影響很小.綜合上述考慮L3最終優(yōu)化取值38 mm.

圖4 主輻射右枝節(jié)L3對(duì)S11的影響

2.2 耦合縫隙寬度w對(duì)S11參數(shù)的影響分析

w為單極子枝節(jié)與耦合枝節(jié)右側(cè)邊緣間的距離，通過(guò)對(duì)不同w值的對(duì)比可以看出，其對(duì)高頻段的影響很??；對(duì)于低頻段隨著w的增大，諧振頻率略微向高頻處偏移，這里主要由于w的變化影響耦合右枝節(jié)總長(zhǎng)度，從而改變低頻段的中心頻率，分析得出w的變化對(duì)于單極子與寄生枝節(jié)間的耦合程度沒(méi)有影響.經(jīng)優(yōu)化w最終取值5 mm.見(jiàn)圖5.

Gap1決定了寄生枝節(jié)與主輻射枝節(jié)的耦合強(qiáng)度，從圖6中觀察得出，隨著Gap1的減小，低頻段中心頻率左移，靠近理想中心頻率950 MHz.當(dāng)Gap1=0.1 mm時(shí)，在2.5 GHz附近產(chǎn)生多個(gè)新的諧振點(diǎn)，與2.3 GHz的諧振中心頻率相互結(jié)合，增寬了高頻段近500 MHz帶寬，且在頻帶1.7～2.0 GHz的匹配情況變好，不再產(chǎn)生抖動(dòng)，使天線性能更加穩(wěn)定.分析可知，當(dāng)Gap1減小時(shí)，寄生枝節(jié)與主輻射枝節(jié)之間的耦合增強(qiáng)，增大了耦合電容，對(duì)輸入電阻產(chǎn)生了補(bǔ)償.

圖5 w對(duì)S11參數(shù)的影響

圖6 寄生枝節(jié)與輻射直接間距L5對(duì)S11參數(shù)影響

2.3 接地板長(zhǎng)度L對(duì)S11參數(shù)的影響分析

如圖7所示，接地板長(zhǎng)度L對(duì)高頻段影響不大，在低頻段影響較大，這個(gè)結(jié)論與很多已發(fā)表文獻(xiàn)一致[10-12].綜合考慮到手機(jī)尺寸的設(shè)計(jì)，L優(yōu)化結(jié)果為95 mm.

圖7 接地板長(zhǎng)度L對(duì)S11參數(shù)影響

2.4 天線方向圖與表面電流分布分析

圖8為天線3D輻射方向圖，低頻段的輻射方向圖類似偶極子輻射特性, 呈現(xiàn)全向輻射.另外, 更多的畸變?cè)诟哳l段輻射方向圖中出現(xiàn).值得注意的是內(nèi)置手機(jī)天線的輻射方向圖通常取決于系統(tǒng)的接地情況，同時(shí)接地也是天線輻射體的一部分，在低頻段尤為明顯，高頻段由于波長(zhǎng)和接地的尺寸相當(dāng)，這會(huì)導(dǎo)致高頻區(qū)輻射方向圖很大的改變.

圖8 3D輻射方向圖

如圖9所示為天線表面電流分布仿真圖，單極子右枝節(jié)與寄生右枝節(jié)在900 MHz表面電流比較活躍，單極子左枝節(jié)與寄生左枝節(jié)在2 000、2 300、2 500 MHz表面電流比較活躍，由于耦合縫隙的強(qiáng)耦合關(guān)系，很強(qiáng)烈的表面電流有時(shí)會(huì)在二者上同時(shí)產(chǎn)生，比如1 800 MHz和1 900 MHz.

圖9 天線表面電流分布

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于緊湊耦合的平面單極子天線，利用緊湊耦合特性，在平面單極子天線中加入寄生耦合枝節(jié).仿真結(jié)果得出，高頻段帶寬提高了600 MHz，同時(shí)改善了低頻段的阻抗匹配情況，進(jìn)一步對(duì)天線各參數(shù)的優(yōu)化，該天線達(dá)到預(yù)計(jì)覆蓋GSM900/GSM1800/1900/UMTS及LTE2300/2500頻段的要求，并且各頻段都有良好的輻射特性.另外該天線可以方便的印制在很小的鏤空的PCB上方，低剖面特性也能夠滿足超薄手機(jī)的天線設(shè)計(jì)要求.

參考文獻(xiàn)：

[1] BHATTI R A, PARK S O. Octa-band internal monopole antenna for mobile phone applications[J]. Electronics Letters, 2008, 44(25): 1447-1448.

[2] LIN C I, WONG K L. Printed monopole slot antenna for internal multiband mobile phone antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007, 55(12): 3690-3697.

[3] YEH S H, WONG K L, CHIOU T W,etal. Dual-band planar inverted F antenna for GSM/DCS mobile phones[J]. IEEE TransactionsonAntennasandPropagation,2003,51(5):1124-1126.

[4] 丁 君, 張 勇, 袁國(guó)靖. 一種 GSM 寬帶雙頻外置螺旋天線的設(shè)計(jì)與制作[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 21(2): 298-301.

[5] 謝建精, 何曉華, 章堅(jiān)武. 一種寬帶小型化的三頻PIFA天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2010 (6): 1219-1224.

[6] LIN Y F, CHEN HM, LIN C Y,etal. Planar inverted-L antenna with a dielectric resonator feed in a mobile phone [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, 57(10): 3342-3346.

[7] CHU F H, WONG K L. Planar printed strip monopole with a closely-coupled parasitic shorted strip for eight-band LTE/GSM/UMTS mobile phone[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation , 2010, 58(10): 3426-3431.

[8] LIN C C, TUNG H C, CHEN H T,etal. A folded metalplate monopole antenna for multiband operation of a PDA phone[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2003, 39(2): 135-138.

[9] LEE W Y, JEONG Y S, LEE S H,etal. Internal mobile antenna for LTE/DCN/US-PCS[C]// Microwave Conference Proceedings (APMC), 2010 Asia-Pacific. IEEE, 2010: 2240-2243.

[10] VAINIKAINEN P, OLLIKAINEN J, KIVEKAS O,etal. Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation , 2002, 50(10): 1433-1444.

[11] WU T Y, WONG K L. On the impedance bandwidth of a planar inverted-F antenna for mobile handsets[J]. Microwave and optical technology letters, 2002, 32(4): 249-251.

[12] 肖燕燕，張 薇，張艷秋.MIMO-OFDM系統(tǒng)中EBF-MMSE-OSIC上行多用戶檢測(cè)[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，29(5)：579-585.