一種用于手持移動終端的九頻段平面印制天線

王 尚 杜正偉

（清華大學(xué)電子工程系清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室（籌），北京100084）

一種用于手持移動終端的九頻段平面印制天線

王 尚 杜正偉

（清華大學(xué)電子工程系清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室（籌），北京100084）

提出了一種應(yīng)用于手持移動終端的九頻段平面印制天線，該天線結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸為20mm×28mm×0.8mm.利用彎折單極子、寄生地枝和耦合分枝激勵起了五個諧振模式，并通過三個調(diào)節(jié)片和位于饋電點(diǎn)附近的階梯形過渡結(jié)構(gòu)改善了各個諧振模式的阻抗匹配，從而拓展了天線的工作帶寬通過分析該天線關(guān)鍵參數(shù)對帶寬性能的影響，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了滿足性能要求的天線結(jié)構(gòu).天線樣品的實(shí)測－6dB阻抗帶寬為700～1 008MHz和1 692～2 984MHz，覆蓋了LTE700／2300／2500，GSM850／900，DCS／PCS／UMTS和2.4-GHz WLAN頻段；工作頻帶內(nèi)具有良好的輻射性能

多頻段天線；手持移動終端；印制天線；長期演進(jìn)（LTE）

引 言

近幾十年來，移動通信產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，手持移動終端正在向輕薄美觀和多功能化的方向發(fā)展.為了使手持移動終端能夠提供無線廣域網(wǎng)（Wireless Wide Area Network，WWAN）和無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）服務(wù)，應(yīng)用于手持移動終端的天線需要覆蓋GSM850（824～894MHz），GSM900（880～960MHz），DCS（1 710～1 880MHz），PCS（1 850～1 990MHz），UMTS（1 920～2 170MHz）和2.4-GHz WLAN（2 400～2 484MHz）頻段.近期提出的長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)由于具有更小的延時、更高的小區(qū)邊緣比特率和頻譜效率，因而可以向用戶提供更好的寬帶多媒體服務(wù)［1］.因此，為了實(shí)現(xiàn)更好的泛在移動寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，手持移動終端天線還需要覆蓋LTE700（704～787MHz），LTE2300（2 300～2 400MHz）和LTE2500（2 500～2 690 MHz）頻段.在尺寸受限的情況下進(jìn)行手持移動終端多頻段天線的設(shè)計(jì)面臨著巨大挑戰(zhàn)，因此吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注.

環(huán)天線［2］、耦合饋電形式天線［3－5］、多分枝結(jié)構(gòu)天線［6］、縫隙天線［7］和平面倒F形天線［8］等天線形式在手持移動終端天線設(shè)計(jì)中被廣泛采用.文獻(xiàn)［2］利用折疊雙環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種能夠覆蓋GSM／DCS／PCS／UMTS（890～960MHz和1 710～2 170MHz）頻段的手機(jī)天線.文獻(xiàn)［3-5］利用耦合饋電形式實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于手持移動終端的能夠覆蓋LTE／WWAN／WLAN（704～960MHz和1 710～2 690MHz）頻段的天線.文獻(xiàn)［6］利用多分枝諧振電流分流技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能夠覆蓋LTE700／2300／AMPS800／GSM900／DCS1800／ISM／WLAN／WiMAX（698～960MHz，1 710～1 880MHz，2 305～2 483 MHz和3 400～3 600MHz）八個頻段的手機(jī)天線.文獻(xiàn)［7］采用終端開路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種能夠覆蓋GSM900／1800／1900／DCS／PCS／Bluetooth／UMTS／WLAN2400／WiMAX2600（880～960MHz和1 710～2 690MHz）頻段的E形縫隙手機(jī)天線.文獻(xiàn)［8］利用縫隙加載技術(shù)和結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能夠覆蓋GSM／DCS／ISM／S-DMB（890～960 MHz，1 710～1 880MHz，2 400～2 484MHz和2 605～2 655MHz）頻段的平面倒F形天線.

利用彎折單極子、寄生地枝和耦合分枝在500～3 000MHz頻率范圍內(nèi)激勵起了五個諧振模式，并通過三個調(diào)節(jié)片和位于饋電點(diǎn)附近的階梯形過渡結(jié)構(gòu)改善了各個模式的阻抗匹配，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的能夠覆蓋LTE700／2300／2500，GSM850／900，DCS／PCS／UMTS和2.4-GHz WLAN頻段的應(yīng)用于手持移動終端的平面印制天線.雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有能夠完全覆蓋704～960MHz和1 710～2 690MHz頻段的應(yīng)用于手持移動終端的天線，但是，在實(shí)際應(yīng)用中不同的應(yīng)用需求需要不同的天線結(jié)構(gòu).所提出的天線結(jié)構(gòu)為需要具備LTE／WWAN／WLAN服務(wù)功能的手持移動終端提供了一種新的天線備選方案.

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)及具體尺寸如圖1（a）和1（b）所示.天線單元印制在一塊厚度為0.8mm的環(huán)氧樹脂（FR4）介質(zhì)板上，面積為20mm×28mm.印制在介質(zhì)板正面的部分包括彎折單極子、三個調(diào)節(jié)片和位于饋電點(diǎn)附近的階梯形過渡結(jié)構(gòu)，印制在介質(zhì)板背面的部分包括寄生地枝和耦合分枝.介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02.根據(jù)普通手持移動終端的實(shí)際尺寸，該介質(zhì)板的長度和寬度分別選擇為120mm和60mm.一塊面積為100mm×60 mm的地板印制在介質(zhì)板的背面，用來模擬手持移動終端中除天線外的其他金屬部分.以一條特征阻抗為50Ω的半剛同軸線作為饋線.饋線的外導(dǎo)體焊接在地板上，中心導(dǎo)體經(jīng)過孔與印制在介質(zhì)板正面的彎折單極子相連.

在天線設(shè)計(jì)中，利用三維全波電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）進(jìn)行仿真分析.以內(nèi)置多頻手機(jī)天線設(shè)計(jì)中被廣泛接受的｜S11｜＜－6dB條件作為界定天線阻抗帶寬的評判標(biāo)準(zhǔn)［9］.為了揭示該天線的工作原理，對比了天線設(shè)計(jì)過程中各個天線結(jié)構(gòu)的S11的仿真結(jié)果，如圖2所示.天線設(shè)計(jì)過程歸納為五步.第一步，天線單元僅包括彎折單極子，記為天線＃1.天線＃1可以在1 680MHz附近激勵起一個諧振模式，記為諧振模式三.第二步，在天線＃1基礎(chǔ)上添加寄生地枝，記為天線＃2.天線＃2在750MHz附近和1 250MHz附近分別激勵起諧振模式一和諧振模式二，同時，諧振模式三的匹配情況得到改善.第三步，在天線＃2基礎(chǔ)上加入耦合分枝，記為天線＃3.天線＃3在2 100 MHz附近和3 000MHz附近分別激勵起諧振模式四和諧振模式五，同時，諧振模式二的諧振頻率降低至880MHz附近.諧振模式二與原有的諧振模式一共同作用形成低頻帶內(nèi)的雙諧振模式，使低頻帶寬得到展寬.第四步，以天線＃3為基礎(chǔ)，在彎折單極子上連接三個調(diào)節(jié)片，記為天線＃4.諧振模式一和諧振模式四的匹配情況都得到改善，諧振模式五在其諧振頻率降低至2 700MHz附近的同時，匹配情況也得到改善.雖然天線＃4的低頻帶寬能夠覆蓋LTE700／GSM850／900頻段，但高頻帶內(nèi)的匹配情況還需要進(jìn)一步優(yōu)化.最后，在天線＃4基礎(chǔ)上，在饋電點(diǎn)附近引入階梯形過渡結(jié)構(gòu)以改善高頻帶內(nèi)的阻抗匹配，從而得到最終的天線設(shè)計(jì)方案.

2 參數(shù)分析

為了使天線的工作頻帶能夠完全覆蓋704～960MHz和1 710～2 690MHz頻段，首先需要確定天線結(jié)構(gòu)中影響工作頻帶的關(guān)鍵參數(shù)，然后對這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿足要求的結(jié)構(gòu)尺寸.該天線的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)包括用于在500～3 000 MHz頻率范圍內(nèi)激勵起五個諧振模式的彎折單極子、寄生地枝和耦合分枝以及用于調(diào)節(jié)各個諧振模式匹配特性的三個調(diào)節(jié)片和階梯形過渡結(jié)構(gòu).為了便于說明，如圖3所示，彎折單極子表示為F-D-D′部分，三個調(diào)節(jié)片分別表示為A-A′、B-B′和C-C′部分，寄生地枝分解為G-E、E-I、I-I′-I″、I″-J、J-J′和KK′部分，耦合分枝分解為E-E′、E′-H和H-H′部分.影響天線工作頻帶的關(guān)鍵參數(shù)包括天線寄生地枝的J-J′部分的寬度W1、I-I′-I″部分沿y方向的長度L1和K-K′部分的長度L2.以下針對這三個關(guān)鍵參數(shù)對天線帶寬特性的影響進(jìn)行討論.

如圖4（a）所示，W1對高頻帶內(nèi)的三個諧振模式的諧振頻率影響較小，對低頻帶內(nèi)兩個諧振模式的諧振頻率影響較大.增大W1，可以使天線低頻帶內(nèi)諧振模式一和諧振模式二的諧振頻率降低，從而可以控制低頻帶寬.圖4（b）給出了不同L1對天線的S11的影響.L1對諧振模式三和諧振模式四的諧振頻率影響較大，對其余三個諧振模式的阻抗匹配有一定影響.增大L1，可以使天線諧振模式三和諧振模式四的諧振頻率降低，從而拉低高頻帶的下限，同時由于諧振模式二的匹配情況變差，低頻帶的上限被拉低.圖4（c）給出了不同L2對天線的S11的影響.L2對諧振模式二和諧振模式五的影響較大，而對其余三個諧振模式的影響較小.減小L2，可以使諧振模式五的諧振頻率升高，從而提高高頻帶的上限，同時諧振模式二的匹配情況會有一定改善，從而使低頻帶的上限升高.由于諧振模式五的工作頻帶上限遠(yuǎn)高于2 690MHz，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時更關(guān)注L2對天線低頻帶上限的影響.

基于以上參數(shù)分析，總結(jié)出了對該天線工作頻帶進(jìn)行調(diào)節(jié)的有效方法.首先，選擇J-J′部分的合適的寬度W1，使天線的低頻帶寬能夠覆蓋LTE700和GSM850／900頻段；然后，調(diào)節(jié)I-I′-I″部分沿y方向的長度L1，確定高頻帶的下限，但同時低頻帶的上限可能被拉低；最后，調(diào)節(jié)K-K′部分的長度L2，調(diào)節(jié)低頻帶的上限，此時高頻頻帶的上限可能被拉低，但是天線的高頻帶寬仍然足以覆蓋DCS／PCS／UMTS，2.4-GHz WLAN和LTE2300／2500頻段.優(yōu)化后的關(guān)鍵參數(shù)（W1＝8mm，L1＝26.5mm，L2＝9mm）使最終得到的天線結(jié)構(gòu)的工作頻帶能夠?qū)崿F(xiàn)對704～960MHz和1 710～2 690MHz頻段的完全覆蓋.

3 測試結(jié)果及分析

根據(jù)圖1中給出的天線結(jié)構(gòu)尺寸制作的天線樣品如圖5所示.圖6對該天線的S11的仿真和測試結(jié)果進(jìn)行了對比.可以看出，二者吻合較好.天線樣品的實(shí)測－6dB阻抗帶寬為700～1 008MHz和1 692～2 984MHz，能夠完全覆蓋704～960MHz和1 710～2 690MHz頻段.

圖7給出了當(dāng)天線樣品分別工作在750MHz和1 950MHz時，在三個主平面上的二維測試輻射方向圖.由于天線在低頻帶內(nèi)有效激勵起了地板模式［10］，其輻射方向圖為偶極子形式，在水平面（x-y平面）上具有良好的全向覆蓋性能.隨著工作頻率升高，工作波長減小，地板的電尺寸增大，因而在高頻帶內(nèi)地板上激勵起高次模，天線在高頻帶內(nèi)的輻射方向圖具有一定方向性.

天線樣品效率與增益的測試結(jié)果如圖8所示.天線樣品在低頻帶（704～960MHz）內(nèi)的實(shí)測效率為40.1%～70.9%，實(shí)測增益為－1.2～0.9dBi；在高頻帶（1 710～2 690MHz）內(nèi)的實(shí)測效率為54.3%～86.5%，實(shí)測增益為0.2～3.2dBi.該天線的輻射性能滿足手持移動終端的實(shí)際應(yīng)用需求.

4 結(jié) 論

提出了一種應(yīng)用于手持移動終端的結(jié)構(gòu)緊湊的九頻段平面印制天線.天線樣品的實(shí)測－6dB阻抗帶寬有效覆蓋了LTE700／2300／2500，GSM850／960，DCS／PCS／UMTS及2.4-GHz WLAN頻段.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線具有良好的輻射性能.作為能夠提供LTE／WWAN／WLAN通信服務(wù)業(yè)務(wù)的超薄手持移動終端的內(nèi)置天線，該天線具有良好的應(yīng)用前景.

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Nine-band planar printed antenna for mobile handsets

WANG Shang DU Zhengwei
（Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology，Department of Electronic Engineering Tsinghua University，Beijing100084，China）

A nine-band planar printed antenna with a compact size of 20mm×28mm× 0.8mm for mobile handsets is proposed.A meandering monopole，aparasitic ground branch and a coupling branch are adopted to generate five resonant modes，and the impedance matching is improved by introducing three tuning pads and a step-shaped transition structure near the feeding point for all the resonance modes，resulting in enhanced operating bands of the proposed antenna.By analyzing the effects of the crucial parameters of the proposed antenna on the bandwidth，the crucial parameters are optimized and the desired performance is obtained.The measured－6dB impedance bandwidth of the antenna prototype ranges from 700to 1 008MHz and from 1 692to 2 984MHz，covering the LTE700／2300／2500，GSM850／900，DCS／PCS／UMTS and 2.4-GHz WLAN bands.Good radiation performances are achieved over the operating bands.

multiband antennas；mobile handsets；printed antennas；long term evolution（LTE）

TN828

A

1005-0388（2015）01-0043-06

王 尚 （1987－），男，河北人，清華大學(xué)電子工程系博士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿咏K端寬帶多頻段多天線設(shè)計(jì)及多天線解耦方法研究.

杜正偉 （1971－），男，四川人，清華大學(xué)電子工程系教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾√炀€與電波傳播、微波電路、電磁兼容及計(jì)算電磁學(xué)等.

王 尚，杜正偉.一種用于手持移動終端的九頻段平面印制天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2015，30（1）：43-48.

10.13443／j.cjors.2014031901

WANG Shang，DU Zhengwei.Nona-band planar printed antenna for mobile handsets［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：43-48.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014031901

2014-03-19

國家科技重大專項(xiàng)（2012ZX03003002-004）；國家自然科學(xué)基金（61371010，60971005）；項(xiàng)目（9140A33020411JW27）

聯(lián)系人：王尚E-mail：wangshang10＠m(xù)ails.tsinghua.edu.cn