新型的寬帶手機天線設計

劉 蕊，何 偉

(1.北京信息職業技術學院，北京 100070;2.諾基亞中國投資有限公司，北京 100176)

責任編輯:薛 京

隨著無線通信的發展和電子產品應用的普及，天線設計遇到了越來越多的挑戰。尤其在手機終端，寬帶化、小型化、低剖面、高效率成了天線設計的主要考慮因素。天線性能對物理尺寸有很強的依賴性，天線尺寸越大則帶寬越寬，天線尺寸越小則帶寬越窄。如何在保證天線物理尺寸不變的情況下，提高天線的頻帶寬度，一直是當今世界的研究熱點。本文正是針對目前行業的這一現狀，提出一種新型的拓展天線帶寬的設計。

目前針對拓展天線帶寬的設計，主要方法有增大天線體積、加載寄生單元、使用周期性天線結構、采用阻抗匹配方案等［1－2］。常用的寬帶化設計有采用曲流技術實現對PIFA天線進行小型化優化［3］，而在保持天線尺寸不變的情況下可采用優化手機地平面的結構尺寸來有效提高天線帶寬［4－6］，或者通過在手機地平面上開一個或者多個槽的方式來有效拓展GSM850或者DCS1800的頻率帶寬［7－8］。更進一步地，通過在手機地平面上開槽，并加入電感的方式有效改變地平面的工作模式，以得到最大天線帶寬［9］。

在綜合考慮以上研究的基礎上，本文采用通過在手機天線對立邊的地平面上加載寄生單元，達到擴展帶寬的目的。

1 天線基本結構

天線的基本結構、尺寸參數如圖1所示。為實現低剖面天線設計，天線與加載接地單元和地平面均在同一平面，其整體的尺寸為105 mm×45 mm×1 mm，采用FR4介質板，介電常數為4.4。天線區域為45 mm×10 mm。為了同時擴展GSM850和DCS1800頻段的帶寬，在地平面天線的另一側加載了一個面積為45 mm×5 mm的接地單元。其中點A為饋電點，點B和點C為接地點。天線的輻射性能很大程度上和加載單元的形狀和尺寸有關，恰當的加載單元設計能有效拓展天線的帶寬，提高輻射效率。如圖1b所示，加載單元主要由兩個枝節組成，分別用于拓展GSM850和DCS1800的帶寬。

2 仿真結果與分析

本文通過CST(CST Microwave Studio)仿真軟件進行數值模擬，首先驗證加載單元主要尺寸參數對天線阻抗特性的影響，然后通過數值模擬優化，得到一組最佳的加載單元尺寸，最終設計出一個新型的低剖面寬帶手機天線。

2.1 M對阻抗特性的影響

圖1 天線結構

圖2為L=32 mm，S=0.5 mm的情況下，所得到的S11參數對應M的變化。從圖中可以看出，隨著M的增大，GSM850頻段的諧振點往低偏移，天線的阻抗帶寬(按回波損耗低于－6 dB計)降低;DCS1800頻段的諧振點雖然也在往低偏移，同時天線的阻抗帶寬在不斷增加。

圖2 參數M對阻抗特性的影響

2.2 L對阻抗特性的影響

圖3為M=25 mm，S=0.5 mm的情況下，所得到的S11參數對應L的變化。從圖中可以看出，隨著L的增大，GSM850頻段的諧振點基本不移動，天線的阻抗帶寬基本無變化;DCS1800頻段的諧振點往低偏移，同時天線的阻抗帶寬不斷增加。

2.3 仿真實例

圖3 參數L對阻抗特性的影響

通過仿真軟件CST對該天線進行數值模擬，優化加載單元尺寸，確定最終的天線尺寸為:L=32.5 mm，M=23 mm，S=0.5 mm。圖4給出了無加載單元的天線和優化尺寸后的有加載單元的天線回波損耗的對比。結果表明:原始天線回波損耗低于－6 dB的阻抗帶寬為0.80～0.86 GHz，1.76 ～1.88 GHz。加載接地單元后，天線在850 MHz和1 800 MHz附近分別出現了另一諧振，－6 dB的阻抗帶寬拓展為0.78 ～0.90 GHz，1.708 ～1.880 GHz。可見加載接地單元的天線在低頻和高頻分別實現了雙諧振工作，帶寬已經得到大大拓展。

圖4 回波損耗

3 天線的制作和測試

根據仿真優化得到的最終天線尺寸參數，制作天線實物如圖5所示。天線選取0.05 mm厚的銅皮，襯底為FR4介質板，介電常數為4.4。在其饋電點焊接一個50 Ω的同軸線連接頭，以便測試連接。使用安捷倫公司的矢量網絡分析儀E5071C進行測試，可以看出天線實測的S11和仿真結果有較好的一致性，具體如圖6所示。

圖5 實際制作天線圖(照片)

圖6 回波損耗:仿真和測試的對比

圖7 天線輻射方向圖(單位dBi)

圖7 給出了天線在 850 MHz，890 MHz，1 720 MHz和1 800 MHz方向圖結果。從圖中可以看出，天線在全頻段都具有較好的全向輻射特性，可以接收來自于各個方向的信號，天線的實用性較強。

4 結束語

在手機終端通信中，天線是影響通信性能的關鍵器件，因此手機天線的研究和設計具有十分重大的意義。本文提出了通過在手機天線的對立邊加載接地寄生單元，設計了一種新型的低剖面寬帶手機天線，與原始天線相比該新型天線有效地在GSM850頻段和DCS1800頻段分別拓展了100%和43%的相對帶寬，實現了寬帶化，符合GSM通信需求，且天線結構簡單，加工方便，有較好的實用前景。

［1］薛睿峰，鐘順時.微帶天線小型化技術［J］.電子技術，2002(3):62－64.

［2］阮成禮.超寬帶天線理論與技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2006.

［3］郝宏剛，胡文帥，田海燕.一種用于藍牙終端的小型天線設計［J］.電視技術，2012，36(5):38－40.

［4］VAINIKAINEN P，OLLIKAINEN J，KIVEKAS O，et al.Resonator－based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，2002，50(10):1433－1444.

［5］ARKKO A T.Effect of ground plane size on the free－space performance of a mobile handset PIFA antenna［C］//Proc.12th International Conference on Antennas and Propagation.［S.l.］:IEEE Press，2003:316－319.

［6］HUYNH M C，STUTZMAN W.Ground plane effects on planar inverted－F antenna(PIFA)performance［J］.IEE Proceedings on Microwave Antennas Propagation，2003，150(4):209－213.

［7］ABEDIN M F，ALI M.Modifying the ground plane and its effect on planar inverted－F antenna(PIFAs)for mobile phone handsets［J］.IEEE Antennas and Wireless Components Letters，2003(2):226－229.

［8］CABEDO A，ANGUERA J，PICHER C，et al.Multiband handset antenna combining a PIFA，slots，and ground plane modes［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，2009，57(9):2526－2533.

［9］ZHAO Anping，ZHANG Xingyu.A novel bandwidth enhancement approach for internal multi－band handset antennas［C］//Proc.Microwave Conference，2008.Macua:IEEE Press，2008:1－4.