手機雙帶平面天線的研究與實現(xiàn)

趙　迎，王　琪，金　晨，房柳君

(南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

?

手機雙帶平面天線的研究與實現(xiàn)

趙迎，王琪，金晨，房柳君

(南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

摘要設(shè)計研究了一款平面結(jié)構(gòu)的雙頻帶手機天線，工作頻率范圍為880~960 MHz和1 710~2 690 MHz，研究目標(biāo)是天線能夠覆蓋GSM、3G和4G移動通信，采用HFSS進行了仿真研究和優(yōu)化設(shè)計。制作了實驗?zāi)Ｐ?，并對其駐波特性和方向圖特性進行實測，理論與實驗比較取得較好一致性，表明天線具有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞平面天線；雙頻帶；駐波比；方向圖

Research and Implementation of Dual-band Planar Antenna for Mobile Phone

ZHAO Ying,WANG Qi,JIN Chen,FANG Liu-Jun

(SchoolofCommunicationEngineering,NanjingInstituteofTechnology,NanjingJiangsu211167,China)

AbstractA dual-band antenna with a planar structure for mobile phone is designed and studied.The operating frequency ranges from 880 MHz to 960 MHz and from 1 710 MHz to 2 690 MHz.The purpose of research is that the antenna can cover the GSM,3G and 4G mobile communication.The simulation research and optimization design are implemented by using high frequency structure simulator(HFSS).The experimental model is constructed to measure its voltage standing-wave ratio and the radiation pattern.The comparison shows that theoretical and experimental results are in good agreement,and the designed antenna has a certain engineering application value.

Key wordssplanar antenna;dual band;voltage standing wave ratio;pattern

0引言

隨著手機行業(yè)的發(fā)展，對于網(wǎng)絡(luò)速度提出了越來越高的要求，衍生出3G和4G技術(shù)。國內(nèi)運營商的3G和4G頻段如下[1]：中國移動頻段為1 880～2 025 MHz(3G)和1 880～2 635 MHz(4G)；中國聯(lián)通頻段為1 940～2 145 MHz(3G)和2 300～2 575 MHz(4G)；中國電信頻段為825～880 MHz(3G)和2 370～2 655 MHz(4G)。新一代移動通信的特點是頻率高、頻帶寬，要求與2G無線通信兼容，還要求尺寸輕薄、樣式美觀。為了適應(yīng)現(xiàn)代無線通信終端的要求，需要設(shè)計出與手機要求相適應(yīng)的天線。近年來國內(nèi)外手機天線有多種不同的設(shè)計：采用耦合方式的天線[2,3]、使用MIMO技術(shù)的天線[4]、使用共頂點嵌套的三角形環(huán)做輻射面的多頻天線[5]、使用彎折結(jié)構(gòu)和開縫手段形成多頻的小型天線[6]、使用分形自相似性的微型天線[7]和使用平面結(jié)構(gòu)定向輻射天線[8]等，以適應(yīng)各種不同的具體應(yīng)用。本文研究并實現(xiàn)了一款雙頻帶天線，結(jié)構(gòu)簡單、平面設(shè)計，采用基于有限元法方法的HFSS[9]進行仿真研究，并通過制作天線模型進行測試，使天線能同時有效工作于GSM、3G和4G頻率范圍。

1天線模型的構(gòu)成

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為平板天線的正面結(jié)構(gòu)，圖1(b)為背面結(jié)構(gòu)。天線的基本結(jié)構(gòu)采用單極子形式，為了展寬天線的帶寬，采用三角漸變的振子，由α角和高度h來表征。通過外加彎折枝節(jié)以形成新的諧振點，枝節(jié)長度由W2+L2+W1+L1確定，其他尺寸標(biāo)注在圖中，背面中黑色部分構(gòu)成金屬接地面。

作為初始的仿真參數(shù)，取W=60 mm，L=120 mm，W0=36 mm，L0=15.5 mm，WP=1.5 mm，L3=109.5 mm，W2=12.5 mm，B2=2 mm，L2=9.5 mm，W1=30 mm，L1=10.15 mm，B1=1 mm，α=41.65o，h=9 mm，介質(zhì)板厚度H=1.5mm，介電常數(shù)εr=4.4。

圖1　天線結(jié)構(gòu)

2天線回波損耗特性研究

下面通過改變不同的參數(shù)來觀察天線各個部分尺寸變化帶來的影響。

首先比較天線幾何尺寸為初始仿真參數(shù)情況下，不添加彎折枝節(jié)和添加彎折枝節(jié)對天線回波損耗的影響。由圖2可見，枝節(jié)的引入形成了新的諧振點。由于枝節(jié)總長度大于三角振子高度，這個新的諧振點處在原諧振點的低頻端，可用于形成在GSM工作的頻段。

圖2　回波損耗與有無枝節(jié)的關(guān)系

通過改變枝節(jié)長度可以觀察S11的變化情況。當(dāng)其他尺寸不變，L1分別取9.15 mm、10.15 mm和11.15 mm時，其回波損耗與頻率的關(guān)系曲線如圖3所示。圖3表明，隨著L1變大，低頻端的諧振點逐漸左移，因此可通過調(diào)節(jié)L1來實現(xiàn)低頻端諧振頻率的精確調(diào)整。L1的變化對高頻端諧振點的影響規(guī)律性不夠明確，不作為設(shè)計高頻端工作頻率的主要依據(jù)。

圖3　回波損耗與L1的變化關(guān)系

在其他尺寸不變情況下改變α角的大小，回波損耗的頻變曲線如圖4所示。圖4表明，角度的變化對低頻端和高頻端諧振頻點都有一定影響。隨著α的增大，諧振點有一定左移?？疾旄哳l端，當(dāng)角度α增大到一定值后，由于阻抗匹配變差，諧振點消失。

圖4　回波損耗與α的變化關(guān)系

改變枝節(jié)入口處寬度B2大小，回波損耗的頻變關(guān)系如圖5所示。圖5表明，隨著B2的增大，對低頻部分幾乎不產(chǎn)生影響，而高頻部分呈現(xiàn)顯著的變化，諧振頻率以較大幅度向右移動，表明改變B2大小是實現(xiàn)天線高頻諧振點設(shè)計的有效方法。

圖5　回波損耗與B2的變化關(guān)系

一般饋源阻抗都是50 Ω，因此饋電的微帶線寬度WP理論計算值應(yīng)為2.8 mm。作為比較，分別選取WP為1.5 mm、2.5 mm和2.8 mm，計算結(jié)果如圖6所示。圖6表明，當(dāng)WP=2.8 mm時，在頻率2.1 GHz處達到理想匹配；WP=2.5 mm時，在頻率1.88 GHz處達到理想匹配，但該寬度對低頻端諧振點也產(chǎn)生了影響，因此需要綜合設(shè)計。

圖6　回波損耗與的Wp變化關(guān)系

通過上面的數(shù)值分析，理清了天線各個幾何尺寸變化對阻抗特性的影響，根據(jù)天線設(shè)計的要求，可借助HFSS進行全面優(yōu)化，其最終設(shè)計尺寸為W=60 mm，L=120 mm，W0=36 mm，L0=15.5 mm，WP=1.5 mm，L3=109.5 mm，W2=12.5 mm，B2=2 mm，L2=9.5 mm，W1=30 mm，L1=10.15 mm，B1=1 mm，α=41.65°，h=9 mm，H=1.5 mm。

天線實驗?zāi)Ｐ筒捎秒p面覆銅介質(zhì)板，用腐蝕工藝配合手工處理制作而成，如圖7所示。天線駐波比通過PNA3621網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，為了便于分析，將測量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)一起繪制于圖8中進行比較。由圖8可以看出，2根曲線基本吻合，表明仿真計算的正確性。天線工作頻率基本能覆蓋GSM、3G和4G范圍，這表明天線具有一定的工程應(yīng)用性。

圖7　天線實物

圖8　仿真與測試結(jié)果

3天線方向圖特性研究

本文主要計算了頻率為2.4 GHz并經(jīng)過歸一化處理后的增益方向圖，如圖9中實線所示。圖9表明，在yoz平面內(nèi)，最大輻射主要分布在θ=0°和θ=180°的方向，而在θ=90°方向相對微弱(θ是在yoz面內(nèi)與y軸的夾角)。xoz平面的歸一化方向圖同樣揭示了天線的方向性。對于方向圖的測試，通過將天線連接到無線路由器，再利用筆記本電腦接收信號來定性描述，如圖9中的實心點所示。與仿真數(shù)據(jù)比較可見，大部分實驗數(shù)值點在仿真曲線附近，實驗測量和仿真結(jié)果較為一致。

圖9　增益方向圖

4結(jié)束語

現(xiàn)代手機天線都朝著小型化、平面結(jié)構(gòu)、雙頻帶或多頻帶方向發(fā)展，采用仿真技術(shù)與實驗相結(jié)合的方法是實現(xiàn)天線設(shè)計的最佳途徑。本文所設(shè)計的天線具有結(jié)構(gòu)簡單、雙頻帶工作、頻帶寬和低成本等系列特點，能夠同時覆蓋移動通信的多個頻段，與實驗比較具有較好的一致性。文中所采用的仿真技術(shù)較好地實現(xiàn)了天線的優(yōu)化設(shè)計，并通過比較研究掌握了天線的特點。研究結(jié)果對工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)價值。

參考文獻

[1]STEWART J,SHEN X,WANG C W,et al.From 3G to 4G:Standards and the Development of Mobile Broadband in China[J].Technology Analysis &Amp;Strategic Management,2011,23(7):773-788.

[2]ZHAO G H,WANG A G,LENG W,et al.Wideband Internal Antenna with Coupled Feeding for 4G Moblie Phone[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(3):513-516.

[3]CHOI S,JEONG G T,KIM W,et al.Design of a Compact Hexa-band Coupling Antenna for 4G Moblie Handset Using a Small Element with Two Slots[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(8):1 708-1 711.

[4]HAN M,CHOI J.Dual-band Mimo Antenna Using Polarization Diversity for 4G Mobile Handset Application[J].Microwave and Optical Technology Letters,2011,53(9):2 075-2 079.

[5]林澍,蔡潤南,黃冠龍,等.三角形嵌套多頻單極印刷天線的仿真與實驗[J].微波學(xué)報,2011,27(3):38-42.

[6]周彬,逯貴禎,楊旗.平面三頻單極子手機天線設(shè)計[J].微波學(xué)報,2010,26(S2):219-222.

[7]劉英,龔書喜,傅德民.用于多頻通信的微帶分形貼片天線[J].微波學(xué)報,2001(4):76-79.

[8]金晨,王琪,趙迎.平板WIFI定向天線的研究[J].無線電通信技術(shù),2015,41(2):45-46.

[9]李明洋,劉敏,楊放.HFSS天線設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

趙迎男，(1994—)，本科。主要研究方向：天線技術(shù)。

王琪男，(1956—)，教授。主要研究方向：天線技術(shù)。

作者簡介

基金項目：江蘇省實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201411276018Z)。

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號TN823

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0058-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.16

引用格式：趙迎,王琪,金晨,等.手機雙帶平面天線的研究與實現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(3):58-61.