一種新型小型化十一頻段手機(jī)天線設(shè)計(jì)

楊　明， 孫玉發(fā)

(1. 安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230039;2. 亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800)

隨著無線通信的飛速發(fā)展，應(yīng)用在手機(jī)的頻段也越來越多．便捷、兼容、高速傳輸已經(jīng)成為移動終端不爭的事實(shí)，而這對手機(jī)內(nèi)置天線多頻段、小型化、超寬帶的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求．2013年12月，工信部頒布了國內(nèi)手機(jī)4G運(yùn)營牌照，明確了新一代移動通信的頻段劃分，即在頻段內(nèi)劃分為頻分雙工(Frequency Division Duplexing-Long Term Evolution，F(xiàn)DD-LTE) band3及時(shí)分雙工(Time Division-Long Term Evolution，TD-LTE) band38/39/40/41，這使得新一代移動通信不僅要頻率高、頻帶寬，還要與2G、3G無線通信兼容．天線作為移動終端的重要收發(fā)器件，其設(shè)計(jì)要求也不斷提高．為了提高手機(jī)天線的各種性能，小型化、超寬帶、可重構(gòu)和多頻段[1-5]等技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用．除此之外，還存在其他的結(jié)構(gòu)形式，文獻(xiàn)[6-8]給出了利用金屬邊框設(shè)計(jì)的LTE手機(jī)天線，天線主要通過濾波器或者添加匹配電路來實(shí)現(xiàn)，并引入了大量的電感、電容，從而增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性．文獻(xiàn)[9-10]給出了小型化的折疊環(huán)形天線，天線枝節(jié)采用立體架構(gòu)，設(shè)計(jì)相對復(fù)雜．文獻(xiàn)[11]給出了一種應(yīng)用在長期演進(jìn)(Long Term Evolution，LTE)/無線廣域網(wǎng)(Wireless Wide Area Network，WWAN)的智能手機(jī)雙天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 702～ 968 MHz， 1 698～ 2 216 MHz 以及 2 264～ 3 000 MHz 頻段覆蓋，該天線為雙天線結(jié)構(gòu)，天線之間加入交叉中和線來提高隔離度，但這對手機(jī)天線小型化的實(shí)現(xiàn)顯得非常困難．以目前商用三星S8為例，手機(jī)采用LTE四天線、無線保真(Wireless-Fidelity，WiFi)雙天線設(shè)計(jì)，天線占用手機(jī)內(nèi)部空間大，信號干擾強(qiáng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜．

以上天線的設(shè)計(jì)雖然能夠滿足帶寬、增益以及輻射方向性，但依托地板設(shè)計(jì)的天線體積大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于加工;依托手機(jī)外殼設(shè)計(jì)的天線，引入了匹配電路，增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性．針對以上天線設(shè)計(jì)的不足，筆者以實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線小型化、超寬帶、多頻帶為目標(biāo)，通過地枝節(jié)耦合以及環(huán)形腔體技術(shù)縮小天線尺寸、拓寬帶寬，再利用加載電感提升低頻性能，實(shí)現(xiàn)多天線融合，設(shè)計(jì)了一款新型的小型化十一頻段手機(jī)天線，與傳統(tǒng)終端多頻手機(jī)天線相比，該天線能覆蓋LTE/WWAN八頻段以及全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)、WiFi、藍(lán)牙(Bluetooth)這3個(gè)頻段，尺寸只有 37.0 mm× 7.2 mm．與已有文獻(xiàn)的天線尺寸和覆蓋頻段相比，文中設(shè)計(jì)的天線具有較大的優(yōu)勢．

1　天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

1.1　天線的結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示，具體尺寸如表1所示．介質(zhì)基板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)，整體為C形槽結(jié)構(gòu)．天線分布在右下角位置，尺寸為 37.0 mm× 7.2 mm．單極子天線為環(huán)形腔體結(jié)構(gòu)，印刷在介質(zhì)基板正面，在背面地板上引出3條耦合枝節(jié)，并通過改變電感L值來實(shí)現(xiàn)天線帶寬的展寬．

圖1　天線結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

一般情況下，單極子天線主要通過同軸、微帶線、電磁耦合以及共面波導(dǎo)等方式饋電[12-16]，考慮到文中天線結(jié)構(gòu)的特殊性，單極子天線和參考地板分別印刷在介質(zhì)基板兩側(cè)，采用 50 Ω 同軸線饋電最為合適，同軸線外屏蔽層焊接在地板上，內(nèi)導(dǎo)體穿過電路板焊接在饋電端口，圖1(b)中標(biāo)注的A點(diǎn)為饋電端口，B點(diǎn)為接地點(diǎn)．

1.2　天線的設(shè)計(jì)

為最大限度地縮小天線尺寸，首先在介質(zhì)基板正面設(shè)計(jì)一獨(dú)立的單極子天線，記為結(jié)構(gòu)1．通過仿真可知，單極子天線在 0.75 GHz、1.43 GHz 和 2.60 GHz 這3點(diǎn)產(chǎn)生諧振，可以滿足高頻段的要求，這也為低頻段的后期設(shè)計(jì)提供了良好的開端．

為了拓寬低頻段帶寬，并通過彎折技術(shù)縮小天線的尺寸，在地板上引出了一條長為 65.0 mm 的耦合帶線(帶線1)，連同單極子天線記為結(jié)構(gòu)2，該結(jié)構(gòu)使低頻諧振點(diǎn) 0.75 GHz 向高頻偏移至 0.90 GHz．對結(jié)構(gòu)2進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)表面電流主要分布在饋電點(diǎn)附近，為此，在靠近結(jié)構(gòu)2端口處引出第2條帶線(帶線2)，記為結(jié)構(gòu)3，在低頻段產(chǎn)生的兩個(gè)諧振模式相互疊加，阻抗匹配好轉(zhuǎn)，也拓寬了低頻段帶寬．

通過分析天線各輻射枝節(jié)和表面電流分布對天線性能影響，繼續(xù)拓寬低頻段帶寬，在帶線1和帶線2之間再添加第3條帶線(帶線3)，記為結(jié)構(gòu)4．由于帶線3和帶線1尺寸接近，導(dǎo)致這兩個(gè)枝節(jié)產(chǎn)生的諧振點(diǎn)重合，所以3條枝節(jié)只能在低頻段產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)．天線諧振頻率與等效電感、等效電容間的關(guān)系為

表1　天線尺寸參數(shù)表 mm

f0=1/(2π(LC)1/2),

(1)

其中，L為等效電感，C為等效電容．

由式(1)可知，天線諧振頻率的偏移，可以通過改變加載的電感或電容值來調(diào)節(jié)．為此，在如圖1所示的C點(diǎn)處引入電感，記為結(jié)構(gòu)5，通過逐步增加電感值，使帶線2和帶線3的諧振點(diǎn)向低頻移動，從而展寬低頻帶寬．

圖2(a)、(b)為天線設(shè)計(jì)過程中各種結(jié)構(gòu)的S11仿真結(jié)果對照圖．圖2(c)、(d)為結(jié)構(gòu)5中不同電感值對S11性能的影響圖，其中右圖為低頻段放大圖．由圖2可見，當(dāng)電感逐漸增加時(shí)，低頻諧振點(diǎn)向低頻偏移，3條帶線對應(yīng)產(chǎn)生的3個(gè)諧振點(diǎn)逐步向低頻展開并顯現(xiàn)出來．采用Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)13.0軟件對天線優(yōu)化，且當(dāng)電感L= 2.4 nH 時(shí)，得到最優(yōu)的結(jié)果．

圖2　各種天線結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)5中不同L值的S11仿真結(jié)果

2　關(guān)鍵參數(shù)分析

為使天線能夠完全覆蓋704～960 MHz和 1 710～ 2 690 MHz 頻帶，在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中首先需要確認(rèn)對工作頻帶產(chǎn)生影響的關(guān)鍵參數(shù)，通過優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，最終得到滿足需求的天線結(jié)構(gòu)．如圖1(b)所示，關(guān)鍵參數(shù)主要有帶線1沿y方向W3的長度、沿x方向g7的厚度以及帶線3沿y方向W9的長度，下面進(jìn)行逐個(gè)討論．

圖3為關(guān)鍵參數(shù)對天線S11的影響圖．圖3(a)給出了不同W3對S11的影響，W3對低頻段以及高頻段都有較大影響．增大W3，能夠使諧振點(diǎn)整體向高頻偏移，同時(shí)能夠拉低諧振頻率，拓寬頻段帶寬；但繼續(xù)增大W3，低頻帶阻抗匹配效果變差．圖3(b)中W9對高頻段諧振頻率影響較小，對低頻諧振頻率影響較大．增大W9，低頻段帶寬拓寬；但隨著W9的繼續(xù)增大，諧振點(diǎn)向低頻偏移，低頻帶上限被拉低，阻抗匹配效果不佳，不能滿足低頻帶寬要求．圖3(c)給出了不同g7對S11的影響，g7對低頻段諧振頻率影響較大，減小或增大g7，均影響低頻帶阻抗匹配，優(yōu)化后折中取值．

圖3　不同關(guān)鍵參數(shù)值對天線S11的影響

通過以上分析，總結(jié)出該天線頻帶調(diào)節(jié)的方法，首先調(diào)節(jié)帶線1的整體長度，使天線高頻段帶寬能夠覆蓋DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500；然后調(diào)節(jié)帶線2和帶線3相應(yīng)的長度和厚度，穩(wěn)定低頻段的上限；再調(diào)節(jié)W9和g7，拓展低頻段下限，優(yōu)化低頻帶阻抗匹配，使低頻帶寬能夠覆蓋LTE700/GSM850/900．優(yōu)化后的關(guān)鍵參數(shù) (W3= 37.0 mm，W9= 5.1 mm，g7= 0.4 mm) 使天線在S11小于 -6 dB 情況下能夠覆蓋LTE/WWAN的8個(gè)頻段，并且滿足GPS、WiFi以及Bluetooth頻段內(nèi)S11小于 -10 dB 的要求．

3　實(shí)測結(jié)果與分析

如圖1(c)所示，天線介質(zhì)基板被做成C形槽結(jié)構(gòu)，鏤空的C形結(jié)構(gòu)可以給手機(jī)電池預(yù)留空間，進(jìn)一步縮小手機(jī)機(jī)身的厚度．利用微波暗室及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5247A對實(shí)物進(jìn)行測試，天線S11以及增益、效率測試結(jié)果如圖4所示．

圖4　天線S11以及增益、輻射效率圖

由圖4(a)可見，實(shí)測和仿真結(jié)果基本吻合，實(shí)測結(jié)果在高頻段帶寬變窄，帶寬為 682～ 962 MHz 和 1 460～ 2 875 MHz，能夠覆蓋LTE/WWAN以及GPS/WiFi/Bluetooth所有頻段，滿足設(shè)計(jì)要求．天線增益、輻射效率仿真和測試結(jié)果如圖4(b)所示．由圖4可知，增益及效率實(shí)測比仿真結(jié)果略低，低頻段天線實(shí)測增益在 1.5 dBi 左右，實(shí)測輻射效率在45%～52%之間；在高頻段，天線實(shí)測增益在 2.0 dBi 左右變化，輻射效率在48%～53%之間，能夠滿足手機(jī)通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求．存在的偏差主要由加工工藝、精度、測試環(huán)境以及FR-4介電常數(shù)的不穩(wěn)定性等因素造成．

圖5給出了0.72 GHz、0.87 GHz、2.25 GHz以及2.50 GHz諧振點(diǎn)的天線表面電流分布圖．由圖5可知，低頻段 0.72 GHz 表面電流主要分布在帶線1、帶線2以及帶線3上；0.87 GHz 表面電流主要分布在帶線3和帶線2上；高頻段頻率在 2.25 GHz 時(shí)，諧振模式則主要是由帶線3激發(fā)產(chǎn)生的；頻率在 2.50 GHz 時(shí)，諧振模式則是由帶線2以及帶線3共同激發(fā)產(chǎn)生的．

圖5　不同頻率的天線表面電流分布圖

圖6　天線輻射方向圖

對天線輻射特性進(jìn)行了仿真和測試，圖6給出了天線在0.76 GHz、1.80 GHz以及2.50 GHz這3個(gè)頻點(diǎn)在x-y面、y-z面和z-x面的輻射方向圖．由圖可知，主極化Eθ在低頻段變化平穩(wěn)連續(xù)，基本呈現(xiàn)全向輻射，在高頻段x-y面有一定的畸變，這主要由于各枝節(jié)之間電磁干擾、多模諧振等因素影響所致．通過對比分析圖中主極化Eθ和交叉極化Eφ，可知文中設(shè)計(jì)的天線具有較好的方向性和極化特性，能滿足手機(jī)天線方向性要求，具有良好的應(yīng)用前景．

4　結(jié) 束 語

文中設(shè)計(jì)了一款新型的小型化十一頻段手機(jī)天線，該天線尺寸僅有37.0 mm×7.2 mm．實(shí)測結(jié)果表明，該天線 -6 dB 阻抗帶寬為 682～ 962 MHz 和 1 460～ 2 875 MHz，能夠覆蓋LTE/WWAN的8個(gè)頻段，并且滿足GPS、WiFi以及Bluetooth這3個(gè)頻段S11小于 -10 dB 的要求．天線低頻段增益在 1.5 dBi 左右變化，輻射效率在45%～52%之間；高頻段增益在 2.0 dBi 左右變化，輻射效率在48%～53%之間．該天線具有結(jié)構(gòu)新穎、體積小、饋電方便、頻帶寬等特點(diǎn)，在便攜式、小型化移動通信設(shè)備中具有較高的實(shí)用價(jià)值．

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