一種應(yīng)用于POS機(jī)的4G全網(wǎng)通天線

黃文儲(chǔ),袁家德

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350116)

0 引言

4G時(shí)代的移動(dòng)終端全網(wǎng)通支持GSM/CDMA1x/CDMA2000/TD-SCDMA/WCDMA/TDD-LTE/FDD-LTE多種制式. 天線作為終端的關(guān)鍵部件,其性能好壞不僅影響信道性能,對(duì)終端整體性能也起決定性作用. 隨著移動(dòng)終端日益小型化且高度集成,工作頻段的不斷增加,天線周圍的金屬部件和電路的存在,利用有限的空間在超薄的移動(dòng)終端中設(shè)計(jì)出一款高性能的小型天線是一個(gè)非常艱巨的挑戰(zhàn). 為減小天線尺寸,增加天線帶寬,提高天線輻射性能,小型化、多頻帶、超寬帶、可重構(gòu)等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用. 環(huán)形天線、耦合饋電形式天線,多分支結(jié)構(gòu)天線、縫隙天線、平面單極子天線和平面倒F天線在手持移動(dòng)通信終端被廣泛使用. 文[1-2]利用倒L型及彎曲折疊的U型輻射枝節(jié)的組合,實(shí)現(xiàn)小型、多頻、寬頻的特性. 文[3]通過(guò)加載多枝節(jié)的折疊單極子,并利用單極子天線的基模和高次模增加天線的帶寬,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通的覆蓋. 文[4-5]利用環(huán)形天線能工作在0.5λ、1.0λ、1.5λ多個(gè)模式下并且在饋電端增加匹配電路提高天線的帶寬. 文[6]利用耦合饋電、短路寄生單元、低頻螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)LTE/WWAN/GPS/GLOSS頻段的覆蓋. 文[7]采用T型短路寄生單元與非對(duì)稱U型單極子結(jié)構(gòu)的耦合產(chǎn)生覆蓋LTE/WWAN的8個(gè)頻段. 文[8]采用倒L型短路寄生單元和新型G型單極饋電枝節(jié),利用G型枝節(jié)與倒L型枝節(jié)之間的耦合拓寬低頻段的帶寬. 文[9]利用T型枝節(jié)及兩個(gè)接地的短路枝節(jié)形成的雙環(huán)形天線的多模諧振實(shí)現(xiàn)對(duì)LTE700/GSM850/900/GSM1800/1900/UMTS/LTE 2300/2500頻段的覆蓋. 上述天線充分考慮了天線的尺寸對(duì)通信設(shè)備性能的影響,但天線都是采用FR4為介質(zhì)基板,并且依賴于設(shè)備中的參考地,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不適用于小型化、超薄化的移動(dòng)POS機(jī)設(shè)備.

本研究設(shè)計(jì)一種平面小型化POS機(jī)天線,通過(guò)加載寄生耦合單元并且不依賴設(shè)備中的參考地實(shí)現(xiàn)4G全網(wǎng)通頻段的覆蓋,所設(shè)計(jì)的天線單元具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、饋電方便、成本低的特點(diǎn). 在POS機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境下,該天線能獲得良好的TRP和TIS性能,適用于POS機(jī)小型移動(dòng)通信終端.

1 天線的設(shè)計(jì)與仿真

1.1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示. 該天線由直接饋電枝節(jié)、寄生單元和金屬地組成. 其中,寄生單元由短倒L型枝節(jié)(HIK)和帶有U型枝節(jié)的長(zhǎng)倒L型枝節(jié)(JKLM)構(gòu)成； 直接饋電枝節(jié)由E型枝節(jié)(AEG及AEF)與倒C型枝節(jié)(CD)組成； 金屬地為長(zhǎng)方形的輻射貼片. 天線采用同軸線饋電,A為饋電點(diǎn),B為接地點(diǎn),天線總體尺寸為61 mm×30 mm,天線結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示. 該天線采用FPC(flexible printed circuit )材質(zhì),貼在POS機(jī)背面頂端的內(nèi)部塑料外殼上.

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometry of the proposed antenna

參數(shù)L/mm參數(shù)L/mmL118L913W12L1013L210.5L1112W21.5L126L313.5L1310L48L1410W41.5L1524L54.5G10.5L636G22.5W72.5G32L717.5L30L826W26

1.2 天線仿真結(jié)果與分析

天線有無(wú)寄生單元的S11曲線對(duì)比圖如圖2所示. 從圖中可以看出,天線在無(wú)寄生單元時(shí),低頻段無(wú)諧振點(diǎn),并且高頻段的帶寬不足以覆蓋1.70～2.70 GHz工作頻段. 增加寄生單元后天線低頻段出現(xiàn)了諧振點(diǎn),并且能夠獲得足夠的帶寬覆蓋0.82～0.96 GHz工作頻段； 在高頻段產(chǎn)生了寄生諧振頻點(diǎn),有效增加了高頻段的帶寬.

長(zhǎng)倒L型枝節(jié)對(duì)天線的高低頻段都有重要的影響.L6是長(zhǎng)倒L型枝節(jié)的參數(shù),如圖3所示. 隨著L6的增大,低頻段諧振點(diǎn)逐漸往左移,而高頻段帶寬逐漸變小. 這是因?yàn)長(zhǎng)6的長(zhǎng)度控制低頻段的諧振長(zhǎng)度,L6增加使得低頻段的諧振頻點(diǎn)左移,L6長(zhǎng)度變化影響著其與參考地間的電容性耦合,影響著高頻段的阻抗匹配,從而影響高頻段的阻抗帶寬.

通過(guò)仿真分析該天線的表面電流分布來(lái)理解天線的工作原理,如圖4所示. 圖4(a)是天線工作在頻率0.94 GHz時(shí)的電流分布圖,從圖中可以看出AEF工作在0.94 GHz的約四分之一波長(zhǎng)模式下,HIKLM工作在0.94 GHz的約二分之一波長(zhǎng)模式下,因?yàn)镋F與HI枝節(jié)存在一個(gè)0.5 mm的縫隙,即EF與HI枝節(jié)存在耦合,等效于在AEF與HIKLM枝節(jié)中加入了一個(gè)電容. 由于電容的存在改善了天線的阻抗,也縮短了天線的諧振的電流有效路徑. 圖4(b)是天線工作在頻率1.56 GHz時(shí)的電流分布圖,JKLM和HIKLM兩個(gè)枝節(jié)工作在1.56 GHz的約四分之一波長(zhǎng)及二分之一波長(zhǎng)的模式下. 如圖4(c)所示,CD枝節(jié)可看成為在A點(diǎn)饋電的非對(duì)稱偶極子,其工作在2.70 GHz的約二分之一波長(zhǎng)模式下,JKLM枝節(jié)工作在2.70 GHz的一個(gè)波長(zhǎng)模式下. 由于寄生單元的存在使得天線能產(chǎn)生更多寄生諧振模式,有效拓展了高頻段帶寬.

圖2 有無(wú)寄生單元S11的曲線對(duì)比Fig.2 Measured S11 of the proposed antenna with and without the parasitic element

圖3 L6 的變化對(duì)S11的影響Fig.3 Effect of various length of L6 on measured S11

圖4 天線的表面電流分布Fig.4 Simulated surface current distributions forthe proposed antenna

天線分別在0.94、1.56、2.70 GHz的輻射方向圖如圖5所示. 天線在xoy平面呈現(xiàn)近似雙向輻射特性,在yoz平面方向圖近似全向輻射特性. 這是因減小天線尺寸而采用枝節(jié)電流彎折,各枝節(jié)間存在耦合,輻射枝節(jié)產(chǎn)生多模諧振等原因?qū)е绿炀€的輻射方向圖相對(duì)于傳統(tǒng)偶極子方向圖呈現(xiàn)出不完全規(guī)則的形狀.

圖5 天線的增益方向圖Fig.5 Measured radiation patterns for the proposed antenna

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

將該天線制作成實(shí)物并應(yīng)用在POS機(jī)中，如圖6所示. 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5071C對(duì)該天線進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖7所示. 實(shí)測(cè)結(jié)果表明,天線端口S11小于-6 dB阻抗帶寬低頻段為0.80～1.00 GHz,高頻段為1.45～2.90 GHz,可覆蓋GSM900、DCS1800、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、LTE Band1/3/3839/40頻段. 在微波暗室測(cè)試了天線的增益和效率,測(cè)試結(jié)果如圖8所示. 天線低頻段824～960 MHz的效率和增益分別為27%～35%,-1.8～1.8 dBi； 高頻段1.70～2.70 GHz的效率和增益分別為28%～78%,0～5.7 dBi. 同時(shí), 圖8中給出了天線增益的仿真曲線,與測(cè)試結(jié)果較好吻合. 采用Agilent 8960和MT8820C綜測(cè)儀對(duì)天線的TRP與TIS進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖9所示. 測(cè)試結(jié)果表明, EGSM900和DCS1800頻段： TRP≥26 dBm,TIS≤-95 dBm； CDMA2000頻段： TRP≥14 dBm, TIS≤-95 dBm； WCDMA和TD-SCDMA頻段： TRP≥19 dBm ,TIS≤-100 dBm； LTE Band1/3/38/39/40頻段： TRP≥18 dBm , TIS≤ -88 dBm,較好地滿足工程應(yīng)用的需求.

圖6 天線應(yīng)用在POS機(jī)中的實(shí)物圖Fig.6 Photo of the fabricated antenna applied inPOS terminnal

圖7 天線S11仿真及測(cè)試曲線Fig.7 Simulated and measured for the proposedantenna

圖9 POS機(jī)中天線各頻段TRP和TIS柱狀圖Fig.9 TRP and TIS histogram of respective frequency bands in POS terminal

為說(shuō)明天線的TRP與TIS性能,表2、表3分別列出天線TRP與TIS性能對(duì)比. 由表2可以看出,在TRP性能上,本研究所設(shè)計(jì)的天線優(yōu)于文[10-11]中天線； 與文[12]相比,本研究設(shè)計(jì)的天線在DCS1800/WCDMA/LTE頻段上處于優(yōu)勢(shì),而在EGSM900/CDMA/TD-SCDMA上略低. 由表3可以看出,在TIS性能上,本研究設(shè)計(jì)的天線都優(yōu)于文[10]中天線所覆蓋的頻段； 與文[11]中的天線相比,本研究設(shè)計(jì)的天線在DCS1800/WCDMA/LTE具有較好優(yōu)勢(shì),在EGSM900頻段上略差； 與文[12]中的天線相比,本研究設(shè)計(jì)的天線在EGSM900/DCS1800/WCDMA/LTE頻段上略差,在WCDMA頻段上好于文獻(xiàn)中天線.

表2 天線TRP性能對(duì)比

表3天線TIS性能對(duì)比

Tab.3TISperformancecomparison(dBm)

3 結(jié)語(yǔ)

提出一種4G全網(wǎng)通POS機(jī)天線,尺寸僅為61 mm×30 mm. 通過(guò)采用倒L型、U型、E型及倒C型輻射枝節(jié)實(shí)現(xiàn)天線的多頻特性. 通過(guò)耦合增加低頻段的帶寬,加載寄生單元獲得良好的匹配和增加高頻段的帶寬,實(shí)現(xiàn)天線的小型化及寬頻化. 實(shí)測(cè)S11小于-6 dB阻抗帶寬低頻頻段為0.80～1.00 GHz,相對(duì)帶寬為22.2%,高頻頻段為1.45～2.90 GHz,相對(duì)帶寬為66.7%. 覆蓋了GSM900、DCS1800、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、LTE Band1/3/38/39/40頻段. 并且該天線用于POS機(jī)中能夠獲得良好的全向輻射功率(TRP)和全向接收靈敏度(TIS),能很好地應(yīng)用于POS機(jī)的4G通信.