一種小型化八頻段可重構(gòu)手機天線設計

孫玉發(fā)　胡少啟　周東　王仲根　楊明

(1.安徽大學 計算智能與信號處理教育部重點實驗室,合肥 230039;

2.安徽理工大學電氣與信息工程學院,淮南 232001)

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一種小型化八頻段可重構(gòu)手機天線設計

孫玉發(fā)1胡少啟1周東1王仲根2楊明1

(1.安徽大學 計算智能與信號處理教育部重點實驗室,合肥 230039;

2.安徽理工大學電氣與信息工程學院,淮南 232001)

摘要提出了一種新型頻率可重構(gòu)的手機天線，尺寸為43 mm×9 mm×3 mm.該天線由曲折饋電枝節(jié)、耦合枝節(jié)，以及多路射頻開關(guān)(RF-Switch)組成.通過RF-Switch接入不同的電感改變天線的感抗值和帶線的有效電長度，在低頻段得到了四種不同的工作狀態(tài)，天線的低頻帶寬顯著增加.研究結(jié)果表明:所設計天線能夠很好地覆蓋長期演進(Long Term Evolution, LTE)、無線廣域網(wǎng)(Wireless Wide Area Network, WWAN)八個頻帶且頻段內(nèi)回波損耗小于-6 dB.實測表明天線具有良好的輻射效率和輻射增益，能夠?qū)崿F(xiàn)全向覆蓋，具有很好的應用前景.

關(guān)鍵詞射頻開關(guān);多頻段;頻率可重構(gòu);小尺寸手機天線

資助項目: 國家自然科學基金(No.61172020，No.61401003); 高等學校博士學科點專項科研基金(No.20123401110006);

安徽省振興計劃地方高水平大學建設(No.2013gx001)

聯(lián)系人： 孫玉發(fā) E-mail：yfsun_ahu@sina.com

引言

隨著現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，輕便、高傳輸速率、多功能成為移動設備的新特點.因此，小型化、多頻段、超寬帶天線的設計對于移動設備的發(fā)展有著重要的意義.可重構(gòu)天線[1-4]的提出與應用可以很好地解決天線設計中小型化和多頻段覆蓋問題.從目前的研究來看，傳統(tǒng)的單極子天線[5-6]，采用增大天線的尺寸和增加天線的結(jié)構(gòu)復雜度來擴展天線的工作頻段和帶寬，天線尺寸分別為65 mm×11 mm×8.5 mm和55 mm×10 mm×8 mm，很難應用于移動設備中,且制作加工難度大.文獻[7-9]中給出了三款利用PIN二極管作為開關(guān)改變天線的輻射結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)頻率可重構(gòu).文獻[10]通過改變地板面積的大小實現(xiàn)了雙頻重構(gòu).但文獻[7-10]所設計的天線覆蓋的工作頻段較少，不能夠很好地應用于多功能移動設備中.對于多頻段可重構(gòu)手機天線設計，文獻[11-12]提出了利用匹配橋和PIN二極管改變天線饋電結(jié)構(gòu)的方法，實現(xiàn)了五頻段覆蓋，天線尺寸都為60 mm×5 mm×5 mm，且天線結(jié)構(gòu)復雜，重構(gòu)方式機械，不適用于超薄手機設備.文獻[13-14]提出了利用微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)可調(diào)電容和一些其他方法實現(xiàn)頻率可重構(gòu).然而以上設計的天線并不能解決移動設備的LTE/WWAN全頻段覆蓋，且制作加工復雜、成本高、尺寸較大、實際利用價值不大.

針對以上設計天線的不足，設計了一款新的頻率可重構(gòu)手機天線.該天線通過RF-Switch控制接入不同值的電感，改變了天線的感抗值和有效電長度，實現(xiàn)了頻率可重構(gòu).該天線能夠完成對移動設備的LTE/WWAN全頻段覆蓋，具有重構(gòu)方式簡單、尺寸小、頻帶寬、易于加工等優(yōu)點.文中天線能夠覆蓋LTE700/GSM850/900、DCS1800/PCS1900/UMTS 2100/LTE2300/2500八個頻段(低頻段698～960 MHz，高頻段1 710～2 690 MHz),且回波損耗小于-6 dB，實測表明天線具有良好的輻射效率和增益，實用性很強.

1頻率可重構(gòu)天線設計

天線結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示.天線被安放在介質(zhì)基板的左上角，背部地板采用鏤空處理.天線基板尺寸為120 mm×60 mm，介質(zhì)，基片材料采用相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為0.8 mm的環(huán)氧樹脂(FR-4).天線尺寸僅為43 mm×9 mm×3 mm，而背部地板鏤空尺寸為45 mm×10 mm，鏤空部分和天線之間微小的間隙將會降低耦合效應對天線性能的影響.天線主要由帶線1、帶線2、回形帶線和RF-Switch(PE42440)四部分組成.其中帶線1、帶線2為兩個不同長度的短路條，帶線1經(jīng)RF-Switch接地，帶線2則連接到射頻芯片的RFC端，通過RF-Switch選擇不同的電感作用于帶線2枝節(jié)來實現(xiàn)低頻段的頻率重構(gòu).回形帶線的長度約為0.66λeff，λeff表示天線在諧振頻率點的有效波長，可以計算為

(1)

圖1　天線的結(jié)構(gòu)與尺寸

RF-Switch的原理圖如圖2(a)所示.利用RF-Switch多路選擇的特點，得到低頻段四種不同的工作狀態(tài).由圖2(b)可知，多路RF端口分別接上不同的電感，進而改變天線枝節(jié)的有效電長度，實現(xiàn)四次頻率重構(gòu).RF-Switch功能表及工作狀態(tài)如表1所示，其中V2V1為RF-Switch控制輸入端.由表1可知經(jīng)過四次重構(gòu)可以得到680～752 MHz、728～825 MHz、810～885 MHz、866～990 MHz四個頻帶,能夠很好地覆蓋LTE700/GSM850/900三個工作頻段.

(a) RF-Switch芯片原理圖　(b) 等效電路圖圖2　RF-Switch芯片原理圖和等效電路

表1　RF-Switch芯片功能表及工作狀態(tài)

2實驗結(jié)果與分析

天線實物如圖3所示.圖3(a)為天線的正面結(jié)構(gòu),RF-Switch由導線連接至5 V穩(wěn)壓電源.天線的回波損耗如圖4所示.仿真結(jié)果由Ansoft HFSS13.0仿真得到.由圖4可知，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，存在的偏差主要是由制作加工工藝和測試設備的影響造成.實測帶寬分別為:低頻段310 MHz(680～990 MHz)和高頻段1 010 MHz(1 690～2 700 MHz).能夠很好地覆蓋LTE/WWAN八個頻段.

(a) 正面

(a) 仿真

(b) 測試圖4　天線的回波損耗

為了更好地了解天線性能與結(jié)構(gòu)間關(guān)系，分別對天線的表面電流分布和輻射枝節(jié)對天線性能的影響進行了討論.天線工作在不同頻率時的表面電流分布如圖5所示，此時RF-Switch工作在狀態(tài)2.由圖5可知，帶線2輻射枝節(jié)上有著很強的表面電流，低頻段諧振(0.84 GHz)主要由帶線2輻射枝節(jié)所產(chǎn)生.對于高頻諧振部分,其表面電流相對較弱，1.84 GHz是由回形帶線激發(fā)所產(chǎn)生，2.60 GHz則是由短路枝節(jié)帶線1激發(fā)所產(chǎn)生.

圖5　天線在不同頻率的表面電流分布

結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2和文中天線的回波損耗如圖6所示.由圖可知：結(jié)構(gòu)1(回形帶線)單獨作用時，產(chǎn)生一個頻率約為2 GHz的諧振點；結(jié)構(gòu)2(回形帶線和帶線1)作用時，結(jié)構(gòu)1產(chǎn)生的諧振點將會向左偏移，同時增加了一個高頻諧振點.加入輻射枝節(jié)帶線2后，即文中天線，又增加了一個低頻諧振點，該諧振點由輻射枝節(jié)帶線2和回形帶線輻射枝節(jié)耦合激發(fā)產(chǎn)生.結(jié)合天線的表面電流分布，能夠充分說明各枝節(jié)在天線結(jié)構(gòu)中的作用和對天線性能的影響.

天線在工作狀態(tài)2的實測輻射方向圖如圖7所示.由圖可知：0.84 GHz和2.60 GHz在xoz面(E面)表現(xiàn)出雙向輻射特性,對應的方向圖與四分之一波長的單極子天線方向圖相似，而在yoz面 (H面)具有很好的全向輻射特性；1.84 GHz時xoz面 (E面)和yoz面 (H面)輻射方向圖都呈現(xiàn)出全向性輻射特性，且增益變化幅度較小，交叉極化相對較小.

圖6　結(jié)構(gòu)1、 結(jié)構(gòu)2和文中天線的回波損耗

圖7　天線的輻射方向圖

由測試結(jié)果可知:文中天線能夠很好地滿足通信系統(tǒng)中全向輻射這一特點，具有穩(wěn)定的輻射性能.

天線效率和增益的測試結(jié)果如圖8所示.由圖8可知:在低頻段,由于天線工作狀態(tài)不同,天線的增益在0.7～2.3 dBi之間變化,天線的效率大于45%;在高頻段,天線增益在0.9～2.8 dBi之間變化,天線效率大于40%.能夠很好地滿足手機通信系統(tǒng)的要求,具有很高的工程應用價值.

(a) 低頻段

(b) 高頻段圖8　天線的增益和效率

表2　天線結(jié)構(gòu)、尺寸及覆蓋帶寬比較

文中天線與文獻[6]、[12]中的天線結(jié)構(gòu)、尺寸及覆蓋頻段對比如表2所示.由表2可知：文獻[6]中天線采用T形單極子結(jié)構(gòu)，雖能覆蓋八個手機工作頻段，但天線尺寸較大，8 mm的天線高度很難適用于超薄手機；文獻[12]則采用雙天線結(jié)構(gòu)，較文獻[6]中的天線體積減小了66%，但是天線的覆蓋頻段也隨之減少，未能覆蓋 LTE700/2300/2500三個工作頻段；文中天線體積較文獻[6]減小了74%，可以覆蓋八個工作頻段，且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作.

3結(jié)論

設計了一款新型的實用小尺寸頻率可重構(gòu)手機天線，該設計通過將RF-Switch應用于天線結(jié)構(gòu)中，使天線能夠?qū)崿F(xiàn)對LTE/WWAN頻段的全覆蓋.利用RF-Switch開關(guān)調(diào)節(jié)天線的感抗值，實現(xiàn)對低頻段的頻率可重構(gòu)，對高頻段基本沒有影響，能夠明顯地擴展天線的帶寬.實驗結(jié)果表明:可重構(gòu)天線能夠覆蓋LTE700/GSM850/900、DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500八個工作頻段，且回波損耗小于-6 dB，天線具有很好的輻射效率和增益，能夠?qū)崿F(xiàn)全向覆蓋.實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，表明該天線能夠很好地實現(xiàn)頻率可重構(gòu)特性.該天線制作尺寸小、重構(gòu)方式簡單、各頻帶間相對獨立、性能優(yōu)良且具有很高的實用價值.

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孫玉發(fā)(1966-),男,安徽人,教授,博士生導師,研究方向為電磁散射與目標識別、計算電磁學、天線理論與技術(shù)等.

胡少啟(1990-),男,安徽人,碩士研究生,研究方向為可重構(gòu)天線設計、移動通信天線設計.

周東(1990-),男,安徽人,碩士研究生,研究方向為導航天線設計、筆記本電腦天線設計.

王仲根(1981-),男,江蘇人,講師，博士,研究方向為計算電磁學、陣列信號處理.

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Design of a compact mobile phone antenna with octa-band

reconfigurable characteristics

SUN Yufa1HU Shaoqi1ZHOU Dong1WANG Zhonggen2YANG Ming1

(1.KeyLabofIntelligentComputing&SignalProcessing,MinistryofEducation,Anhui

University,Hefei230039,China; 2.CollegeofElectricalandInformationEngineering,

AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

AbstractA novel frequency reconfigurable mobile phone antenna of 43mm×9mm×3mm in size is proposed. The proposed antenna consists of meander feeding strip, coupling strip and multichannel RF-Switch. To achieve the resonant modes of lower band among four different working states, the RF-Switch is used to change the inductance value and the effective electrical length of the feed line. The lower band bandwidth of the antenna is expanded obviously. The research results show that long term evolution(LTE) and wireless wide area network(WWAN) can be covered by the proposed antenna with the return loss better than 6dB. The proposed antenna was fabricated and measured, good performances of the radiation efficiency, antenna gain and radiation patterns are obtained. It has the good prospects for the applications.

Key wordsRF-Switch; multi-band; frequency reconfigurable; compact mobile phone antenna

作者簡介

收稿日期：2014-12-01

中圖分類號TN822

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)06-1170-06