一種多頻段4G手機(jī)天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳應(yīng)輝 曾文波

摘 要：基于單極子手機(jī)天線的原理，利用HFSS高頻仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于4G手機(jī)的多頻單極子平面天線.該天線由一個(gè)輻射臂和兩個(gè)耦合枝節(jié)組成，通過U型與L型的折彎耦合枝節(jié)獲得多頻特性.在 857 MHz～ 992 MHz和1 626 MHz ～3 000 MHz頻率范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)天線的回波損耗小于 -6 dB并具有良好的方向圖特性，能滿足移動(dòng)終端在多個(gè)4G頻段的應(yīng)用要求.此外，還對(duì)天線進(jìn)行了參數(shù)分析，得到了影響天線阻抗特性的敏感尺寸參數(shù)，對(duì)該類天線的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：手機(jī)天線；多頻；平面天線；HFSS

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)變得越來越精巧，而天線作為其終端設(shè)備，也有了新的挑戰(zhàn)與要求.但當(dāng)實(shí)現(xiàn)天線的小尺寸化的同時(shí)，會(huì)降低天線的輻射效率，因此設(shè)計(jì)一款緊湊的手機(jī)天線時(shí)，要綜合考慮帶寬與尺寸的關(guān)系，在滿足帶寬要求下如何實(shí)現(xiàn)小型化是終端天線的難點(diǎn).對(duì)于手機(jī)內(nèi)置天線，文獻(xiàn)[1]介紹了一款小尺寸三頻段 PIFA 手機(jī)天線，通過折彎天線實(shí)現(xiàn)小型化，為本設(shè)計(jì)提供了思路.文獻(xiàn)[2]介紹了一款五頻段的手機(jī)天線，這款天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過增加寄生貼片與主天線產(chǎn)生耦合激勵(lì)出高頻段，達(dá)到小型化和激勵(lì)出高頻段的目的.文獻(xiàn)[3]介紹了一款小型化六頻段的手機(jī)天線，其特點(diǎn)是減少饋電與地板的接觸面積來提高低頻斷的帶寬，通過開槽技術(shù)諧振出 GSM 900 的 2G 頻段，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化.文獻(xiàn)[4]介紹了傳統(tǒng)微帶天線的設(shè)計(jì)方法，等等.但前人的設(shè)計(jì)，并不能完全滿足手機(jī)天線的小型化與能在多頻段工作的要求，本文將提出一種緊湊型多頻段內(nèi)置手機(jī)天線.

本文設(shè)計(jì)了一款覆蓋七頻段的內(nèi)置 4G 手機(jī)天線，覆蓋的通訊頻段分別為： GSM 900（880 MHz ～960 MHz），DCS 1800（1 710 MHz～1 880 MHz），PCS 1900（1 850 MHz～1 990 MHz），UMTS 2100（1 920 MHz ～2 170 MHz），LET 2300（2 305 MHz ～2 400 MHz），WLAN / WIFI / Blue tooth（2 400 MHz ～2 484 MHz），LET 2500（2 500 MHz ～2 690 MHz）.每個(gè)頻段帶寬與回?fù)軗p耗都達(dá)到手機(jī)天線的要求，即VSWR ≤3，S11 ≤-6 dB且每個(gè)波段的增益都大于2 dB，輻射方向圖較好.

1 單極子手機(jī)天線的基本原理

單極子天線又稱直立天線，是垂直于地面或者導(dǎo)電平面架構(gòu)的天線.單極子天線具有理想偶極子的優(yōu)良特性，如：帶寬寬，輻射性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，所以現(xiàn)今成為手機(jī)天線的主流選擇[5].單極子天線是通過電磁場(chǎng)理論的鏡像原理，把無限大的地面當(dāng)成天線的另外一臂，等效成理想的偶極子，再通過理想偶極子的理論來推導(dǎo)出單極子天線的輻射場(chǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖函數(shù)等.單極子天線的結(jié)構(gòu)圖和等效圖如圖1、圖2所示.

無限大的地面上，單極子天線產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為：

其中，r——場(chǎng)點(diǎn)到源點(diǎn)的距離，β——相位常數(shù)，Im——最大饋電電流.

2 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

基于單極子手機(jī)天線的理論，提出一種多頻段的 4G 手機(jī)天線結(jié)構(gòu)，為模仿手機(jī)結(jié)構(gòu)，該天線介質(zhì)板的材料為環(huán)氧樹脂（FR4）材料，相對(duì)介電常數(shù) εr =4.4，正切介質(zhì)損耗角tan δ = 0.024，環(huán)氧樹脂（FR4）介質(zhì)板的尺寸為 60 mm × 120 mm × 0.8 mm.經(jīng)過折彎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天線的小型化，天線貼片尺寸為 34 mm × 19 mm × 6.5 mm，采用金屬銅材料，天線由耦合枝節(jié)與折彎枝節(jié)組成.饋電方式選擇SMA耦合同軸饋電[6].天線的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示.

利用 HFSS 仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化，得到一組較好的天線尺寸參數(shù)為：W1=8.9 mm，W2=3 mm，W3=1.7 mm，W4=8.7 mm，W5=5 mm，W6=19 mm，W7=11.3 mm，W8=2.3 mm，W9=96 mm，L1=34 mm，L2=2.4 mm，L3=16.8 mm，L4=7.4 mm，L5=2.3 mm，L6=60 mm，L7=30 mm，L8=10 mm，H=6.5.該天線采用了耦合饋電方式，可以增加低頻段的帶寬，L型枝節(jié)主要諧振出低頻段，U型枝節(jié)主要諧振出高頻段.

3 天線參數(shù)分析

為分析天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線阻抗性能的影響， 得出影響天線阻抗特性的敏感尺寸參數(shù)， 利用 HFSS 微波仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了多次仿真研究.結(jié)果表明， 影響該天線阻抗特性的主要尺寸參數(shù)是 W3與L8. 仿真過程是在保證其他尺寸參數(shù)不變的情況下，僅僅改變 W3或L8 其中一個(gè)數(shù)值. W3取值依次為1.4 mm，1.7 mm，2 mm；L8依次取值為6 mm，8 mm，10 mm，使用HFSS仿真可得到回?fù)軗p耗曲線圖，如圖5與圖6所示.

從圖5可以看出，當(dāng) W3小于1.7 mm時(shí)，低頻段的諧振頻率會(huì)變大，不能覆蓋 GSM 900 頻段，而且高頻段的阻抗匹配會(huì)變差；當(dāng) W3在1.7 mm與2.0 mm取值時(shí)，低頻段完全覆蓋 GSM 900 頻段，高頻段的阻抗匹配也得到提高，利用 HFSS 調(diào)整 W3致最優(yōu)，取1.7 mm.

從圖6可以得到，對(duì)于參數(shù) L8 主要影響高頻段的阻抗匹配，從6 mm到10 mm，高頻段的阻抗匹配依次變好，而且低頻段中頻段幾乎不發(fā)生變化，故 L8 取最優(yōu)值10 mm.基于同樣的方法，對(duì)參數(shù) H 和 W6 進(jìn)行了靈敏分析.結(jié)果分別如圖7和圖8所示.對(duì)于內(nèi)置天線，特別是內(nèi)置手機(jī)天線，為實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)的小型化，都會(huì)對(duì)天線的高度有一定的約束，但天線的高度往往會(huì)影響天線的帶寬，當(dāng)天線的 H=4.5 mm時(shí)，該天線不能完全覆蓋3G頻段中的 DCS 1800 頻段，低頻段的帶寬顯然比 H=5.5 mm，H=6.5 mm時(shí)小，并且高頻段的回?fù)軗p耗過大，對(duì)于實(shí)際的天線應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)匹配；隨著天線高度的增加，帶寬陸續(xù)變大，但出于實(shí)際應(yīng)用的考慮，天線高度 H=6.5 mm 為最優(yōu)尺寸.對(duì)于圖8，可以明顯看出，在 W6=10.3 mm 時(shí)，曲線發(fā)生明顯的變化，原因是當(dāng) W6=10.3 mm 時(shí)，底部的 L 型貼片不再與饋電部分耦合，而是連接在一起，這等效于增加了低頻段的諧振長度，此時(shí)諧振頻率約為 600 MHz，明顯不能覆蓋 GSM 900 頻段，這里是值得注意的.利用 HFSS，把W6 的參數(shù)值調(diào)致最優(yōu)，即W6=11.3 mm.

4 仿真結(jié)果

4.1 回波損耗

回波損耗系數(shù)S11是衡量手機(jī)輻功率與阻抗匹配的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，通常駐波比小于3∶1是判斷手機(jī)天線輻射性能好壞臨界點(diǎn)[7].利用 HFSS 仿真軟件對(duì)單極子手機(jī)天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，可以得到最終的手機(jī)天線的回波損耗如圖9所示.由圖9可見該手機(jī)天線的覆蓋頻段分別從857 MHz ～ 992 MHz以及從1 626 MHz ～3 000 MHz，且覆蓋頻段內(nèi)的回波損耗S11 < - 6 dB，可以覆蓋移動(dòng)通訊的2G / 3G /4G頻段，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的應(yīng)用價(jià)值.

4.2 增益與方向圖

如表1所示，在880 MHz，1 750 MHz和2 500 MHz 3個(gè)典型頻率點(diǎn)上，所設(shè)計(jì)天線增益的仿真結(jié)果均大于2 dB，符合移動(dòng)終端對(duì)天線增益的需求.

圖10是天線在 880 MHz，1 750 MHz，2 500 MHz 3個(gè)頻率點(diǎn)的輻射方向圖，顯然，在水平面上，輻射方向圖呈近似圓形，表明天線在水平面上具有良好的全向接收性能，符合實(shí)際需求.

5 結(jié)論

基于單極子手機(jī)天線的原理，利用 HFSS 仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款多頻段 4G 單極子手機(jī)天線，手機(jī)天線的帶寬較寬，能夠覆蓋 GSM 900（850 MHz～ 960 MHz），DCS 1800（1 710 MHz ～ 1 880 MHz），PCS 1900（1 850 MHz ～1 990 MHz），UMTS 2100（1 920 MHz ～ 2 170 MHz），LET 2300（2 300 MHz ～ 2 400 MHz），WLAN / WIFI / Bluetooth（2 400 MHz ～ 2 484 MHz），LET 2500（2 500 MHz ～2 690 MHz）等頻段.通過U型槽和L型槽的開槽技術(shù)，該手機(jī)天線諧振出兩個(gè)頻段，低頻段從857 MHz ～ 992 MHz，高頻段從1 632 MHz ～ 3 000 MHz，在這兩個(gè)頻段內(nèi)回波損耗系數(shù) S11 均小于 - 6 dB，滿足手機(jī)天線的基本要求.天線尺寸較小，為 39 mm × 15 mm × 6.5 mm.在各個(gè)頻段里，該手機(jī)天線增益均大于 2 dB，方向圖較好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)

[1] 都淑明，趙明國.采用寄生單元的PIFA三頻段手機(jī)天線的設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控，2011，32（5）：51-53.

[2] 楊虹，廖雪梅.一種五頻PIFA手機(jī)天線設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2015（1）：100-101.

[3] 褚慶昕，葉亮華.小型雙頻E形縫隙手機(jī)天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（6）：1073-1075.

[4] 曾文波，趙嘉.PBG結(jié)構(gòu)方形切角微帶天線的設(shè)計(jì)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，18（4）：57-59.

[5] 雷傳球.小尺寸多頻段手機(jī)天線的研究與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[6] DONG J， JIAO Y C WENG Z B，et al. A coupled-fed antenna for 4G mobile handset[J].Progress in Electromagnetics Research，

2013，141（4）：727-735.

[7] 王安國，趙國煌，冷文，等.八頻段手機(jī)天線設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（2）：53-58.

Optimal design of a kind of multi-band 4G mobile phone antenna

CHEN Ying-hui， ZENG Wen-bo*

（School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： Based on the principle of monopole antenna， a novel planner antenna for 4G mobile phone is designed and optimized by using HFSS in this paper. The antenna consists of a radiation patch and two coupled branches， and the inverted L-shaped as well as a U-shaped coupled branch are introduced to achieve a multi-frequency characteristic. The return loss of proposed antenna is less than - 6 dB among the frequency bands of 857 MHz ～ 992 MHz and 1 626 MHz ～ 3 000 MHz， which meets the requirements of 4G applications in multi-frequency bands. Parameter studies are carried out by HFSS to investigate the key sizes which affect the impedance characteristics of the proposed antenna， and the result may give guidance for the design of this kind of antenna.

Key words： mobile phone antenna； multi frequency； planner antenna； HFSS

（學(xué)科編輯：張玉鳳）