一種新型智能手機的平面小型GPS天線的仿真研究

張曉燕，王國皓，劉志偉

一種新型智能手機的平面小型GPS天線的仿真研究

張曉燕1,2，*王國皓1，劉志偉1,2

(1. 華東交通大學信息工程學院，江西，南昌 330013；2.東南大學微波毫米波國家重點實驗室，江蘇，南京 210096)

提出了一種應用于手機上的全向GPS天線。它覆蓋了兩個常用GPS頻段：1227.6 + / 10 MHz和1575.42 + /- 10 MHz，其回波損耗大于10 dB。天線的主輻射體由兩個矩形金屬片和四個三角形組成，總體尺寸為20 mm × 70 mm×0.8 mm。仿真結果表明所設計天線能達到GPS通信的要求。

單極子天線；雙頻帶；全向性；GPS天線；共面波導饋電

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，移動電話尤其是智能手機已不僅是一種通信設備，更多的是被作為微型計算機來處理日常問題。天線作為手機的核心部件之一，其性能也必須同時提高以滿足手機新功能需求。目前，WIFI，NFC，GPS等均已成為智能手機的必備功能。GPS通信有兩個常用頻段，因此要求所設計的天線也必須具有雙頻段特性。國內外的研究人員投入了大量精力致力于多頻帶天線研究，如褚慶昕等人介紹的一種小型寬帶MIMO天線[1]。該天線覆蓋了2.5/3.5/5.5 GHz和2.4/5.2/5.8 GHzdu頻段，包括了WLAN ， WiMAX和LUWB頻帶(3.1-4.8 GHz)，天線尺寸為40 mm× 78 mm。除此之外，Roberto Caso也進行了相關的研究[2]，并提出了一種應用于DVB-T和WLAN的PIFA雙頻帶天線。它被設計集成在顯示器安裝裝置上，并且相對于普通的PIFA天線[3]，表現出降低的電尺寸效果。在470-862兆赫茲（59％帶寬）的DVB-T和2400至2484 MHz（2.7％帶寬） WLAN頻帶，分別測得反射系數小于-6 dB與-10 dB。目前應用于GPS通信的天線大都采用立體結構，最常見的有鞭天線，喇叭天線等，而文獻[4]也給出了一種應用于導彈前端的GPS天線，雖然與傳統天線相比體積已經縮小許多，但其立體結構使其應用范圍受到極大限制。將GPS頻段和通信頻段相結合，設計出覆蓋多頻段的手機天線是現在手機天線設計的主流[5-7]，這種設計帶來的缺點是手機天線具有多頻帶特性或UWB帶寬使得電話設備更容易受到干擾，例如MIC、CPU等核心部件等。因此，本設計從實際應用出發(fā)，設計了一種獨立于手機通信天線之外的GPS定位天線。該天線結構緊湊，易于集成，只工作在GPS通信頻段，減少了對通信設備及通話功能的干擾。

平面單極子天線由于其成本低，重量輕，易于加工，以及具有良好的全向性等特點，是平面GPS天線的理想結構[8]。在本文中，我們設計了一種微型GPS天線，該天線將很方便的地安裝在手機底部，并且在增益上表現出良好的性能。

1 天線設計

圖1給出了所設計的雙頻段平面單極天線的平面結構圖。它由三部分組成：輻射貼片，矩形微帶線和兩個刻有U型槽的矩形地面。輻射貼片的幾何設計，是由四個三角形和不同大小的兩個矩形的組成，用以實現阻抗匹配作用。此外，實測過程中發(fā)現，SMA連接器的焊接會影響實測結果的準確性，因此，為了得到更為可靠的仿真結果，在建模過程中同時建立標準的SMA連接器模型。兩個矩形地上分別蝕刻出兩個U型槽，作為兩個諧振器。諧振器所產生的諧振頻率為1227.6 ±10 MHz，實現了GPS天線的低頻段覆蓋。U型槽的長度為2×L1+W1，由四分之一波長原理得出，詳細的天線尺寸如表1所示。

表1 天線變量數值

2 結果與討論

(a)天線實測回波損耗圖

(b)天線仿真回波損耗圖

圖2 天線S參數仿真及實測結果對照圖

Fig.2 The sll parameter for the antenna

圖2為該天線的S參數仿真結果與實測結果的比較(a為實測結果，b為仿真結果)。從圖2可以看出，該天線從1210 MHz到1230 MHz和1516 MHz到1700 MHz頻段內，回波損耗大于10 dB的，說明該天線在這兩個GPS頻段內能夠正常工作?，F有的GPS天線大都工作在1.57 GHz頻段，這也是本設計與現有天線的最大區(qū)別。在兩個諧振頻率之間，實測結果與仿真結果有較大誤差，其原因在于焊接SMA接頭時，焊錫造成阻抗匹配發(fā)生變化，焊接點起到了增加耦合的作用，使兩個頻段耦合在一起。

圖3 無刻槽情況下的天線回波損耗

圖4 刻U型槽后的天線電流分布圖

圖3給出了沒有U型槽時的回波損耗。從圖2與圖3的對比我們可以看出，U型槽在該結構中起到諧振器作用，產生了1210 MHz到1230 MHz的頻率段。通過對該頻段電流分布圖3分析，發(fā)現該頻段電流主要集中在U型槽附近，進一步證明U槽所起到的諧振作用[9]。由天線的主輻射體產生1.57 GHz的常用工作頻段，由U形槽產生1.21 GHz的第二個工作頻段，最終實現天線的雙頻段覆蓋，這是本設計的工作原理。兩個頻段的回波損耗均小于-10dB。說明該天線在GPS頻段內能夠正常工作。圖3刻U型槽后的天線電流分布圖。從圖2的對比我們可以看出U型槽在該結構中起到諧振器作用，產生了1210 MHz到1230 MHz頻率段。通過對該頻段電流分布圖（圖4）分析，發(fā)現該頻段電流主要集中在U型槽附近，進一步證明U槽所起到的諧振作用。

圖5給出了所設計天線的遠場輻射方向圖。仿真結果顯示在兩個工作頻段內，該天線具有良好的全向性。

1.2GHz

1.57GHz

圖.5 輻射方向圖（1.2GHz, 1.57GHz）

Fig.5 Radiation Pattern(1.2Ghz 1.57Ghz)

3 結論

本文設計了一種應用在手機上的小型GPS天線。該天線的主體部分采用單極子結構，在實現頻段覆蓋的情況下保證了天線遠場區(qū)輻射方向圖具有全向性，同時采用縫隙結構，充分利用天線地面部分的面積，產生了1.21 GHz的工作頻段，使得該設計在安裝到手機內部時并不需要額外占用電路板空間。該天線覆蓋了兩個常用GPS頻段，并且在各個頻帶內表現出良好的全向性。經過HFSS仿真和實測對比，該天線能夠在GPS的兩個頻段內正常工作。通過對天線遠場區(qū)的輻射方向圖觀察，也可以看出天線在工作頻段內具有全向性，符合GPS點對多點通信的要求。與傳統的手機GPS天線相比，它采用獨立的射頻器件，能夠避開對通信天線的干擾。

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STUDY ON THE SIMULATION OF A NOVEL SMARTPHONE ANTENNA FOR GPS EQUIPMENT

ZHANG Xiao-yan1,2，*WANG Guo-hao1，LIU Zhi-wei1,2

(1.School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang, Jiangxi 330013 China;2.Southeast university microwave millimeter wave state key laboratory, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

An Omni-directional micro-strip antenna for GPS equipment on mobile phone is proposed. It covers two common bands for GPS: 1227.6+/-10MHz and 1575.42+/-10MHz, which its return loss is greater than 10dB. With the radiation patch and two rectangular grounds, the size of the presented antenna is 20mm×70mm×0.8mm. By the simulated results we can draw a conclusion that the antenna reaches the requirements for GPS communication.

monopole antenna, dual-band antenna, omnidirectional, GPS, coplanar waveguide

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.013

1674-8085(2014)03-0055-04

2013-12-09；

2014-01-11

國家自然科學基金項目(61061002)，毫米波國家重點實驗室(K201325)，江西省教育廳項目(GJJ13352),江西省科技廳項目(20122BAB211018),江西省教育廳項目(GJJ13321),江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目（YC2013-S158）

張曉燕(1979-)，女，云南楚雄人，副教授，博士，主要從事計算電磁學、天線設計研究(E-mail:xy_zhang3129@sina.com);

*王國皓(1989-)，男，山東即墨人，碩士生，主要從事天線設計領域研究(E-mail:wguoh178@163.com);

劉志偉(1982-)，男，江西南昌人，講師，博士，主要從事計算電磁學研究(E-mail:zwliu1982@hotmail.com).