小型化超寬帶十頻段移動終端天線設(shè)計

楊 明，周金芝，劉富晨，馬志遠

（亳州學院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

隨著無線通信技術(shù)的飛快發(fā)展，小型化、多功能、快傳輸已經(jīng)成為移動設(shè)備的新特點[1-4]。昔日的手機天線功能單一、體積大、頻段少，已不能滿足現(xiàn)行智能化、高效率、服務(wù)多的通信業(yè)務(wù)需求，新一代移動通信不僅要頻帶寬、功能多，還要兼容2 G、3 G通信業(yè)務(wù)，設(shè)計要求越來越高。利用可重構(gòu)技術(shù)能夠解決多頻段、小型化的問題，傳統(tǒng)的單極子天線[5-6]采用增加結(jié)構(gòu)的復雜度和增加天線的尺寸來拓展天線的帶寬和頻率，但天線尺寸較大，這對手機天線的小型化設(shè)計顯得非常困難。文獻[7-8]給出了利用手機金屬邊框設(shè)計的天線，天線通過添加匹配電路或濾波器實現(xiàn)頻帶覆蓋，但引入的電容、電感又增加了天線設(shè)計的復雜性，不利于系統(tǒng)的集成。文獻[9-10]給出了超寬帶、窄邊框折疊天線，天線枝節(jié)采用立體結(jié)構(gòu)，不利于加工。針對以上天線設(shè)計的不足，本文以實現(xiàn)手機天線小型化、多頻帶、超寬帶為目的，設(shè)計了一款小型化超寬帶十頻段LTE/WWAN手機天線，天線尺寸只有36 mm×8 mm×0.8 mm。與已有文獻的天線覆蓋頻段和尺寸相比，該天線具有較大的優(yōu)勢。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

天線的整體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。介質(zhì)基板整體為C型槽結(jié)構(gòu)，為相對介電常數(shù)ε=4.4、損耗正切值tanδ=0.02、厚度為0.8 mm的環(huán)氧樹脂（FR-4）。介質(zhì)基板正面印刷了梯型結(jié)構(gòu)的單極子天線，背面則從參考地板引出了兩條耦合枝節(jié)，并通過改變電感L值來實現(xiàn)天線帶寬的展寬。如圖1（b）所示，該天線采用50 Ω同軸線饋電，A為饋電口，B為短路點，C點為加載的電感L。

微帶線激發(fā)的諧振頻率公式：f0=c[4(Lf+Wf)]，其中c為真空中的光速，f0為產(chǎn)生的諧振頻率。Lf和Wf分別為微帶線的長和寬，很明顯微帶線的寬度可以忽略不計，該公式可以近似寫成f0=c(4Lf)。可以發(fā)現(xiàn)，微帶線激發(fā)的諧振頻率與微帶線的長度成反比。圖中單極子天線為兩邊不對稱梯型結(jié)構(gòu)，整體尺寸小，在高頻段1 600 MHz、3 600 MHz處產(chǎn)生兩個諧振。在參考地板引出兩條帶線后，右側(cè)高頻諧振點向左偏移至 2 560 MHz，覆蓋 DCS1800/PCS1900/UMTS2100 及 LTE2300/2500，并且滿足Bluetooth 及WIFI頻段內(nèi)S11小于-10 dB的要求。帶線1、2的長度均在60 mm左右，由于帶線2距離單極子天線較近，耦合后電流路徑加長，在800 MHz處產(chǎn)生了諧振，帶線1為外圍耦合枝節(jié)，其長度受到參考地板的限制，只能在1 030 MHz處產(chǎn)生諧振，低頻段匹配較差。

天線諧振頻率與等效電容、等效電感間的關(guān)系為

其中，C為等效電容，L為等效電感。

為了解決低頻覆蓋問題，由（1）式可知，在帶線合適位置加載電感或電容，通過改變其數(shù)值大小可以調(diào)節(jié)天線諧振頻率，從而展寬低頻帶寬，覆蓋LTE700/GSM850/900。采用Ansoft HFSS 17 軟件進行仿真，通過一系列優(yōu)化，得出了天線尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線尺寸參數(shù)表（單位：mm）

圖2所示為天線設(shè)計過程及S11仿真結(jié)果。首先，在C型介質(zhì)基板正面上設(shè)計一梯型單極子天線，記為天線#1，然后在背面的金屬板上引出帶線1就構(gòu)成了天線#2，很明顯此時在高頻段阻抗匹配較好；其次，引出帶線2形成天線#3，此時在低頻段產(chǎn)生2個諧振，但是諧振點相距較遠；最后，在帶線1的C點加載1.5 nH的電感（天線#4），使得諧振頻率整體向左偏移，從而滿足了設(shè)計要求。

2 實測結(jié)果與分析

通過仿真優(yōu)化后，將天線模型加工制作成實物，如圖3所示。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5247A及微波暗室對實物進行測試，天線S11及效率、增益如圖4所示。由圖4（a）可知，實測與仿真的S11基本吻合，在高頻段存在的有限偏差主要由模型加工精度及測試環(huán)境等因素造成。實測帶寬為653 MHz ～1 014 MHz 和1 532 MHz ～2 726 MHz，低頻相對帶寬為43%左右，高頻相對帶寬為56%左右，能夠覆蓋LTE/WWAN以及Bluetooth/WIFI所有頻段。天線效率及增益測試結(jié)果如圖4（b）所示，天線實測輻射效率及增益在43%～52%和1.5 dBi～2.3 dBi之間變化，能夠滿足目前手機通信應(yīng)用的要求。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 不同天線結(jié)構(gòu)S11仿真

圖3 實物圖

圖4 天線S11及效率、增益圖

圖5為850 MHz、1 850 MHz和2 500 MHz三個諧振頻率點的天線表面電流分布圖。由圖可知，低頻段850 MHz表面電流主要分布在帶線2上；頻率在1 850 MHz時，諧振模式主要由梯型單極子天線激發(fā)；而2 500 MHz表面電流主要分布在帶線1上。

對天線的輻射特性進行了測試，如圖6所示為850 MHz、1 850 MHz和2 500 MHz這3個諧振頻率在y-z面和z-x面的輻射方向圖。對比分析圖中主極化Eθ和交叉極化Eφ，可以看出天線輻射方向基本呈現(xiàn)全向輻射，設(shè)計的天線具有較好的極化特性和方向性，也具有穩(wěn)定的輻射性能。

文中天線和文獻中天線的體積、厚度及頻段覆蓋比較如表2所示。由表2 可知，本文設(shè)計的天線尺寸最小，覆蓋的頻段最多；天線結(jié)構(gòu)簡單，采用印刷工藝，易于加工制作。該天線由于介質(zhì)板采用了C型結(jié)構(gòu)，天線位置相對獨立，覆蓋頻率受外界影響較小，在后續(xù)的研究中，還可依托該C型結(jié)構(gòu)，增加5 G頻段覆蓋范圍，設(shè)計幾款4 G/5 G手機天線。

圖5 表面電流分布圖

表2 天線的體積、厚度及頻段覆蓋比較

圖6 天線輻射方向圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款小型化超寬帶十頻段LTE/WWAN手機天線，天線尺寸僅有36 mm×8 mm×0.8 mm。實測-6 dB 阻抗帶寬為653 MHz～1 014 MHz 和1 532 MHz～2 726 MHz，能夠覆蓋LTE700/GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500 八個頻段，且滿足Bluetooth 以及WIFI 頻段S11小于-10 dB；實測輻射效率及增益在43%～52%和1.5 dBi～2.3 dBi變化。該天線具有體積小、頻帶寬、饋電方便及結(jié)構(gòu)簡單等特點，在小型化、便攜式移動設(shè)備中具有較高的應(yīng)用價值。