應(yīng)用在手機(jī)終端的多頻段平面天線研究

崔 燦,王 平

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

應(yīng)用在手機(jī)終端的多頻段平面天線研究

崔 燦,王 平

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

基于寬帶緊湊耦合技術(shù)，提出一款小尺寸多頻段工作的平面印刷手機(jī)天線。天線主要由驅(qū)動(dòng)單元、耦合單元和分支單元3部分組成。耦合單元和分支單元分別在低頻產(chǎn)生諧振，控制低頻段工作帶寬，而驅(qū)動(dòng)單元主要控制高頻段工作帶寬。通過仿真優(yōu)化天線參數(shù)，制作了上述天線的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與軟件仿真基本吻合，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該天線能夠工作在CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500等多種無線通信頻段，具有一定通用性。

手機(jī)；多頻段天線；耦合激勵(lì)；小型天線

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和更復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的影響，對(duì)通信設(shè)備的工作性能提出了越來越高的要求。手機(jī)終端天線作為手機(jī)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能的好壞決定了整個(gè)通信系統(tǒng)收發(fā)電磁信號(hào)的能力[1]。因受手機(jī)有限的內(nèi)部空間、越來越多的使用功能以及各集成器件無法再小型化等方面的限制，預(yù)留給天線的有效空間也變得越來越小，因而研究手機(jī)天線的小型化技術(shù)已成為各學(xué)者研究的熱點(diǎn)。又因2G/3G/4G移動(dòng)通信工作頻帶不盡相同，通常需要工作在各頻段的天線單元組成天線陣，分別收發(fā)各工作頻段的電磁信號(hào)。雖滿足帶寬需求，但有限的內(nèi)空間難以容納較大的天線陣列。如果單個(gè)天線的工作帶寬就能完全覆蓋2G/3G/4G頻帶，天線的尺寸將急劇地減小，因而研究具有寬頻帶或多頻段工作特征的單天線結(jié)構(gòu)就變得非常必要。眾所周知，天線的小型化和寬帶化是2個(gè)矛盾點(diǎn)。因此，有效地探尋手機(jī)天線的多頻帶工作與小尺寸之間矛盾的平衡點(diǎn)成為各學(xué)者研究的方向。

印刷微帶天線由于具有低剖面、易于制造、低成本、易電路集成等特征，是設(shè)計(jì)手機(jī)天線的最佳選擇，越來越多的學(xué)者也開始致力于相關(guān)技術(shù)的研究[2-7]。然而，這些天線遭遇了尺寸較大、工作頻段窄等問題，仍不滿足手機(jī)終端通信需求。文獻(xiàn)[8]采用折疊和彎曲貼片技術(shù)來減小面積占用問題，這種四分之一波長(zhǎng)的縫隙天線，與傳統(tǒng)半波長(zhǎng)天線[9]相比，占用尺寸減小，但是只能工作在單一頻段。而文獻(xiàn)[10-11]設(shè)計(jì)的多頻段天線雖然能夠達(dá)到寬頻帶、多頻段工作的特點(diǎn)，卻有占用空間較大的劣勢(shì)?？梢姡擃I(lǐng)域的很多工作尚未成熟，一些關(guān)鍵性問題仍待繼續(xù)研究。為此，該文用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)公司(cemputer simulation technology, CST)基于時(shí)域差分法的微波工作室軟件(microwave studio, MWS)仿真設(shè)計(jì)出一款多頻段平面手機(jī)天線，并制作出天線樣品。經(jīng)測(cè)試表明，該天線低頻覆蓋778 MHz～890 MHz，高頻覆蓋1.7 GHz～2.8 GHz，滿足CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500的工作頻段需求，且尺寸僅為23.5 mm×15 mm。同時(shí)，天線性能較好，接口簡(jiǎn)單，便于手機(jī)整體設(shè)計(jì)組裝。

1 天線結(jié)構(gòu)與仿真分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1展現(xiàn)了該天線的三維結(jié)構(gòu)，天線運(yùn)用低成本的環(huán)氧樹脂介質(zhì)板(εr=4.4，tanδ=0.02)集成設(shè)計(jì)。介質(zhì)板的整體尺寸為65 mm×100 mm×0.8 mm，接地板印刷在介質(zhì)板一面的右方35.5 mm×15 mm及下方65 mm×85 mm處，天線輻射體占據(jù)23.5 mm×15 mm面積。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的天線如圖2所示，該天線主要由驅(qū)動(dòng)單元、耦合單元和分支單元3部分組成，驅(qū)動(dòng)單元末端連接特征阻抗為50 Ω的L形微帶饋線。所提出的天線通過導(dǎo)通孔由介質(zhì)板背面的耦合單元延展出分支單元到介質(zhì)板正面，從而形成多個(gè)表面電流流向?qū)崿F(xiàn)手機(jī)天線的多頻段寬頻帶特性。通過彎折耦合單元和分支單元不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低頻段，而且減小了天線尺寸。

圖1 建議天線的三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three-dimensional structure of the proposed antenna

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Dimensions of the proposed antenna

1.2 仿真分析

通過HFSS仿真軟件對(duì)提出天線進(jìn)行仿真。圖3為相似結(jié)構(gòu)天線的S11仿真。由圖3可知，未加入分支單元的天線低頻諧振無法滿足設(shè)計(jì)要求。同樣僅有分支單元也無法覆蓋設(shè)計(jì)要求的低頻頻帶。在天線耦合單元和枝節(jié)單元的共同作用下，低頻段帶寬有明顯改善，同時(shí)對(duì)高頻頻帶也有顯著影響。

圖4為天線表面電流仿真分布圖。由圖4可以看出，820 MHz時(shí)該天線的耦合單元和分支單元表面電流均比較活躍，而在865 MHz主要由分支單元產(chǎn)生諧振點(diǎn)。耦合單元和分支單元的共同耦合在低頻段形成一個(gè)雙諧振膜，形成了低頻段的寬頻覆蓋，得到良好的低頻段匹配。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元分別在1.94 GHz和2.74 GHz附近激發(fā)2個(gè)高次諧振膜，諧振回路共覆蓋1.7 GHz～2.8 GHz，為單極子天線提供超寬的高頻帶寬。下面對(duì)該天線的尺寸參數(shù)對(duì)天線S11的影響進(jìn)行探討。

圖3 不同天線結(jié)構(gòu)的S11仿真結(jié)果Fig.3 Simulation S11 for different antenna structures

圖4 仿真的表面電流分布Fig.4 Simulated surface current distributions of the proposed antenna

圖5a為保持天線其他參數(shù)不變，改變參數(shù)wg對(duì)天線的輻射參數(shù)的影響，其中，wg為天線的耦合單元與分支單元的天線寬度?？梢钥闯?，通過改變wg，對(duì)于高頻帶的阻抗特性(以S11<-6 dB為標(biāo)準(zhǔn))影響極小，但是，低頻帶的阻抗特性隨著天線寬度的增加卻逐漸降低?？紤]到后續(xù)加工工藝精度wg選取0.6 mm的寬度。

圖5b為保持天線其他參數(shù)不變，改變L5的數(shù)值對(duì)天線S11的影響，其中，L5為耦合單元末尾彎折的一段天線長(zhǎng)度。分析可知，隨著參數(shù)L5數(shù)值的增加，該天線的低頻回波損耗向更低頻帶移動(dòng)，直到與通過導(dǎo)通孔寄生的枝節(jié)產(chǎn)生的低頻回波損耗曲線分離。為了覆蓋CDMA800，L5最終優(yōu)化取值覆蓋略低于850 MHz的9.9 mm。

圖5 不同天線尺寸下的S11仿真Fig.5 Simulated S11 with different size of the proposed antenna

2 仿真與測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)的有效性，基于圖2中的優(yōu)化參數(shù)值，制作出天線樣品，如圖6所示。使用安捷倫M9392A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和NSI公司的某天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線的阻抗特性、輻射特性等進(jìn)行測(cè)試。

圖6 天線實(shí)物圖Fig.6 Physical map of the antenna

圖7給出了仿真與測(cè)試的反射系數(shù)曲線。從圖7中可知，仿真與測(cè)試值基本吻合，但也呈現(xiàn)出較小的誤差，誤差的主要來源可以概括為①超小A型(sub miniature A，SMA)接頭粗糙的焊接；②室內(nèi)不理想的測(cè)試環(huán)境；③加工誤差；④介質(zhì)參數(shù)的誤差；⑤仿真算法的誤差等。圖7表明，與仿真結(jié)果相對(duì)比，測(cè)試得到的諧振頻率向低頻稍微移動(dòng)，阻抗帶寬特性良好。以S11<-6 dB為標(biāo)準(zhǔn)，低頻段覆蓋778 MHz～890 MHz頻段，絕對(duì)帶寬為112 MHz；高頻段覆蓋1 685 MHz～2 690 MHz頻段，絕對(duì)帶寬為1 005 MHz。該天線滿足手機(jī)天線設(shè)計(jì)的覆蓋CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500頻段的要求。

圖7 仿真與測(cè)試的反射系數(shù)曲線Fig.7 Simulated and measured reflection coefficient for the proposed antenna

圖8給出了頻點(diǎn)分別為810 MHz，1 900 MHz和2 590 MHz時(shí)在xy平面和yz平面仿真與測(cè)試輻射方向圖。圖8顯示，仿真與測(cè)量的輻射方向圖基本吻合，H面全向性較好，可收發(fā)各方向的信號(hào)。

圖9給出了天線在高頻段的最大增益和輻射效率曲線。結(jié)果標(biāo)明：天線在高頻段的最大增益均在1 dBi以上，效率高于50%。在1 900 MHz和2 590 MHz 2個(gè)頻點(diǎn)，仿真的增益大約為2 dBi和2.5 dBi，而測(cè)試的最大輻射方向上的增益為4.06 dBi和2.05 dBi?？梢娫陬l點(diǎn)1 900 MHz，增益的測(cè)試和仿真值間差異較大，主要的原因可能是測(cè)試時(shí)標(biāo)注喇叭天線未放置于測(cè)試中心，導(dǎo)致測(cè)試方向發(fā)生了一定偏離。

3 結(jié)束語

本文基于寬帶緊湊耦合技術(shù)，提出一款小尺寸多頻段工作的平面印刷手機(jī)天線。利用導(dǎo)通孔在平面單極子天線中添加彎折寄生耦合枝節(jié)，不僅實(shí)現(xiàn)了低頻的寬頻覆蓋，還有效地減小了天線的整體體積。仿真分析了幾組不同結(jié)構(gòu)對(duì)天線阻抗特性的影響，優(yōu)化參數(shù)并制作實(shí)物，天線測(cè)試結(jié)果與仿真吻合度高，達(dá)到預(yù)期覆蓋CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500頻段的要求，并在各頻段內(nèi)有良好的輻射特性，滿足手機(jī)天線的設(shè)計(jì)要求，具有良好的應(yīng)用前景。

圖8 仿真與測(cè)試天線的歸一化輻射方向圖Fig.8 Simulated and measured normalized radiation patterns for the proposed antennas

圖9 仿真天線增益和輻射效率Fig.9 Simulated gains and efficiencies of the proposed antenna

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崔 燦(1989-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ胖械碾姶爬碚撆c技術(shù)。E-mail：236765813@qq.com。

王 平(1981-)，男，重慶璧山人，講師，博士，主要研究方向?yàn)樘炀€與電波傳播，無線通信技術(shù)。E-mail: wp@cqupt.edu.cn。

(編輯：劉 勇)

Research of the multi-band planar antenna for mobile terminal

CUI Can, WANG Ping

(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R.China)

Based on broadband compact coupling technology, this paper presents a small-size planar printed mobile phone antenna with multi-band operations. The proposed antenna is composed of the driving unit, the coupling unit and the branch unit. The coupling unit and the branch unit produce resonance at low frequencies section respectively, controlling the low frequency operating bandwidth simultaneously, and the high frequency drive unit mainly controls operating bandwidth. The author made the experiment model of the aforesaid antenna by simulating optimized antenna parameters and conducted tests carefully. The measured results is basically consistent with the software simulation results to achieve the design requirements. The proposed antenna can work under multi-frequency bands, such as CDMA800/GSM1800/1900/UMTS and LTE2300/2500, which has a certain commonality.

mobile handsets; multiband antennas; coupling feed; small antennas

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.013

2015-10-14

2016-04-25

王 平 wp@cqupt.edu.cn

港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)(2015DFT10170)；重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金(A2015-08); 長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1299)

Foundation Items：The Hong Kong, Macao and Taiwan Science and Technology Cooperation Projects(2015DFT10170); The Doctoral Fund of Chongqing University of Posts and Telecommunications(A2015-08); The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT1299)

TN828.6

A

1673-825X(2016)06-0827-04