一種面向移動終端的八頻可重構天線

鮑坤　雷超

摘 要：提出一種面向手機應用的可重構內置地面環天線，該天線具有兩種工作模式，通過改變饋電點的位置，使得天線工作于不同的頻率。該天線的設計中，通過加入感性器件和運用地面開槽技術來提高低頻段的特性，同時采用耦合饋電來獲得高頻段的高帶寬。整個天線尺寸60*17 mm2，結構簡單，易于制造，可以覆蓋移動通信的8個頻段。

關鍵詞：手機天線；可重構天線；耦合饋電；環天線

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

隨著科技的高速發展，和各種無線通信的服務要求，使得現在的手機終端向著更小，更輕，更薄，并且具有多功能發展。平面倒F天線（Planar inverted-F Antenna，PIFA）[1]被廣泛應用于移動設備，并且具有緊湊的尺寸和多頻段操作。除此之外，還有單極子天線（monopole），槽天線（slot）也都是常用的手機內置天線。對于移動終端更多頻段、更高帶寬的要求，環天線被逐漸提出并研究設計，但是環天線的阻抗匹配是設計的難點[2]。為了使得環天線有良好的阻抗匹配，以能夠達到設計要求，采用耦合饋電的方式來獲得多頻段、高帶寬[3]。除了耦合饋電能改善環天線性能外，加入感性器件可以偏移頻率，使其工作在有效的頻段范圍內[4]。為了實現現代通信系統向著大容量、超帶寬、多功能、超帶寬的方向發展，可重構天線的概念被提出并得到廣泛的研究和發展[5]。目前，研究最多的就是頻率可重構天線，方向圖可重構和極化可重構還有待進一步發掘。

本文提出了一種面向移動終端的頻率可重構內置地面環天線。該天線通過改變饋電點的位置來實現頻率的重構，兩種工作狀態共可以覆蓋移動通信服務的8個頻段：GSM850（824～880 MHz），GSM900（880～960MHz），GPS（1575MHz），DCS（1 710～1 880 MHz），PCS（1880～1990MHz），UMTS（1 920～2 170 MHz），LTE CN（2305～2400 MHz） ，和WLAN（2 400～2480MHz）。本文對該設計的天線制作了實物并進行了數據測試。

1 天線的結構

本文所提出的天線結構和尺寸如圖1所示。主板采用FR4材料，厚度為0.8 mm，相對介電常數為4.4，損耗正切為0.02。在主板的同一平面上，天線的尺寸只有60*17 mm2，地面的尺寸為60*83 mm2，主板另一面為空白面，無金屬銅覆蓋。天線的具體尺寸結構如圖1所示。接有電感的地面環天線經過兩個“E”字形狀的耦合饋電的貼片進行饋電，饋電點1，2分別代表兩種工作狀態。具體設計方法和工作原理在下文介紹。

（a）

（b）

圖1 天線結構

2 天線的設計

環天線屬于平衡式天線，不同于平面倒F天線、單極子天線，其基本工作模式為半波長模式，此外，其還具有一個波長模式和一個半波長模式。因此，從最基本的環天線，可以獲得多個諧振點。如圖2所示，基本的環天線從饋電點出發，終端為短路點，從圖2天線反射系數可以看出，-6 dB反射系數（VSWR=1：3）帶寬能覆蓋的頻帶為UMTS、DCS、PCS。低頻區域諧振點在1.1 GHz附近，但不能夠覆蓋GSM900頻帶。為了能覆蓋低頻GSM850/900頻帶，可以加入感性器件來減增加有效電長度，降低諧振頻率，同時可在地面開槽來增加低頻段帶寬，在這之前，先對實現可重構的設計做分析。

圖2 基本環天線的反射系數仿真

本文采用改變饋電點位置來切換工作狀態[6]，以實現頻率的可重構。如圖1（a）所示，通過加入兩個“E”字形耦合饋電貼片，分別在饋電點1，2之間切換，通過耦合饋電貼片對基本的地面環天線饋電。反射系數幅度的仿真如圖3所示，由于兩個耦合饋電貼片尺寸大小不同，其做為耦合帶的同時，自身也是個激勵源，激勵的頻帶范圍不同。當饋電點設在1時，即工作狀態1，其-6 dB反射系數的帶寬能夠覆蓋GPS、LTE CN、WLAN三個頻段。當饋電點設在2時，即工作狀態2，其-6dB反射系數的帶寬只能覆蓋PCS、LTE CN兩個頻段。但是低頻區域的GSM850、GSM900都不能覆蓋，雖然實現了簡單的頻率可重構設計，但是結果并不理想。

圖3 通過改變饋電點位置對耦合饋電

基本環天線反射系數的仿真

前面說到，通過加入感性器件和進行地面開槽可改善低頻段性能，達到理想的GSM850/900頻段。為此在天線與地之間加了一個感值為27 nH的電感L2，和地面開了一條長45mm，寬0.5 mm的縫隙，改變電流的流向和有效電長度。反射系數幅度的仿真如圖4所示，在改變低頻特性的同時，也提高了高頻特性，兩種工作狀態共能覆蓋GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN七個頻段，但是出現一些無用的諧振點和頻帶，不能有效地覆蓋所需要的頻段范圍。

圖4 引入電感L2和地面開槽后對兩種工作狀態的反射系數仿真

為了得到良好的低頻和高頻特性，提高天線的阻抗匹配特性，又嘗試引入一個感值為18 nH的電感L1連接在兩個“E”字形耦合饋電貼片上方的天線部分。這就得到了本文圖1提出的天線設計，其具體實物圖片如圖5（a）所示，圖5（b）給出了最后完整天線的反射系數幅度的仿真和測試結果，測試結果基本與仿真結果相吻合，能覆蓋上述所提到的八個頻段，并且在高頻范圍內測試最高可用頻段可擴展到2 760 MHz，可覆蓋LTE EU（2 500-2 690 MHz）頻段。

（a） （b）

圖5 最后完整天線的反射系數的仿真與測試

3 結 語

本文提出一種頻率可重構的內置地面環天線，該天線采用耦合饋電方式進行饋電，并通過改變饋電點位置實現可重構功能。在60*17 mm2平面上實現了-6 dB反射系數（VSWR=1：3）的帶寬為785～978 MHz、1575～2760MHz，可覆蓋8個移動通信的常用的頻段，包括GSM850、GMS900、GPS、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN。

本文為了測試的準確性和方便性，沒有對開關電路（控制切換饋電點）進行設計，若加入開關電路，在測試中需要考慮偏置電路引入的寄生參數。

參考文獻

[1] Anguera J， Sanz I， Mumbru J， et al. Multiband handset antenna with a parallel excitation of PIFA and slot radiators[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2010， 58（2）： 348-356.

[2] Wong K L. 4G/Multiband handheld device ground antennas[C]//Microwave Conference Proceedings （APMC）， 2013 Asia-Pacific. IEEE， 2013： 134-136.

[3] Chu F H， Wong K L. Internal coupled-fed dual-loop antenna integrated with a USB connector for WWAN/LTE mobile handset[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2011， 59（11）： 4215-4221.

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