一種基于LTE的新型小型化加載開槽微帶貼片天線設計

張 梅，劉基姣，馮立波

（大理大學數學與計算機學院，云南大理 671003）

在目前的信息化時代，人們對于高性能、高頻譜利用率、高覆蓋率等方面的需求越來越大，而LTE則作為滿足人們需求的產物成為了研究的熱點〔1〕。移動手機也朝著互聯網娛樂型終端的方向發展，超薄智能手機也已成為潮流，而手機天線的性能直接影響著手機終端的通信質量。目前移動通信系統對天線提出了小型化、多功能、高性能的高要求〔2〕。很顯然，傳統的手機天線已經不能滿足通信的要求，各種小型化LTE手機天線已經成為時下通信業研究的熱點〔3〕。

在眾多的手機天線的研究當中，微帶天線以其體積小、剖面低、易集成、造價低等特性以及良好的性能受到廣泛的關注。在無線通信、遙測、電子對抗、生物醫學等領域都得到了廣泛的應用〔4-5〕。而在移動終端中采用內置微帶天線，不僅可以減小天線對人體的輻射傷害，還可以讓手機的外形多樣化，所以微帶天線將是未來手機天線技術的發展方向之一。一直以來，微帶天線的小型化方法集中體現在天線加載、采用高介電常數或高磁導率的基片、表面曲流開槽技術、附加有源網絡、采用特殊形狀、分形技術、使用左手材料等手段〔6〕。之前已有大量學者做了這方面的研究，如在文獻〔7〕中，作者采用高介電常數或高磁導率的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。文獻〔8〕作者采用天線加載技術，通過加載短路探針的方式縮減了微帶貼片尺寸。而文獻〔9〕則通過開槽縮減了微帶天線的尺寸。但這些文獻中天線小型化的實現是以天線增益和帶寬減少為代價的，也就是說小型化后的天線的性能有所下降。所以，如何將LTE與微帶天線兩者相結合，且在不犧牲天線各項性能的前提下，利用天線小型化技術來實現微帶天線的小型化成為了天線研究領域中的一個迫切的研究課題。

本文基于LTE，利用天線小型化技術，設計出了普通開槽和加載開槽兩種微帶貼片天線。該天線采用FR4環氧樹脂材料，采用同軸饋電方式對輻射貼片饋電，并覆蓋了LTE的工作頻段2.57～2.62 GHz。通過Ansoft公司的HFSS軟件，將這兩款天線進行了比較、仿真、優化與分析，并對其天線模型的輸入阻抗、帶寬、諧振頻率等參數進行了比較與分析。

1 天線的結構與設計

本文基于微帶貼片天線的基本結構，采用FR4環氧樹脂材料和同軸饋電方式，利用天線加載和開槽技術，應用Ansoft HFSS仿真軟件設計了應用于LTE工作頻段（2.57～2.62 GHz）的普通開槽天線和新型加載開槽天線，其基本結構如圖1、2所示。在這兩款天線的設計當中，本文是通過在貼片表面上開槽或縫隙以達到更改天線輻射貼片表面電流分布，且在微帶天線上加載方形金屬片，通過與饋點接近的方形金屬片在諧振空腔中引入耦合電容以實現微帶天線的小型化，能更有效地應用于體積較小的移動終端中。

圖1 開槽天線

圖2 新型加載開槽天線

在該小型化微帶貼片的設計中，貼片材質選用FR4環氧樹脂材料作為基板，介質基板的相對介電常數為εr=4.4，厚度為h=1.5 mm。參考地和輻射貼片使用理想薄導體來代替，采用50 ohm同軸線饋電，選用材質為理想導體（pec）的圓柱體模型來模擬同軸饋線內芯。在與圓柱體相接的參考地上挖出一個圓孔，將其作為信號輸入輸出端口，該端口激勵方式為集總端口（Lump Port）激勵，端口阻抗為50 ohm。工作頻段為2.57～2.62 GHz，其諧振頻率為2.595 GHz。圖1中的開槽天線在貼片表面上開了4個彎曲的縫隙，使得電流繞槽曲折流過的路徑變長，達到減小天線尺寸的目的。圖2中的新型加載開槽天線在開槽天線的基礎上加載了方形環金屬片，以增加天線的輻射面積，提高增益。圖2中新型加載開槽天線的其他變量的尺寸如表1所示。

表1 新型加載開槽天線參數

2 天線的仿真與優化分析

根據表1中微帶貼片天線的參數，使用Ansoft HFSS 13.0建立矩形微帶貼片天線的模型，將輻射貼片patch和接地板GND設置為理想導體邊界，采用50 ohm同軸線饋電，對信號傳輸端口面port的激勵方式采用Lump Port，并在設置完求解頻率和網絡剖析后對以上設計的開槽天線和新型加載開槽天線進行了性能仿真。由于矩形微帶貼片天線的中心頻率主要由貼片長度來決定，貼片長度越短，則諧振頻率越高。所以，在本文中主要采用參數掃頻分析來尋求中心頻率在2.595 GHz時對應的L0的值。并且通過掃描分析諧振頻點（2.595 GHz）處的回波損耗以及輸入阻抗隨同軸線饋電點位置L1的變化關系，Smith圓圖上S11和同軸線饋電點位置的變化關系，分析找出最佳阻抗匹配點，優化變量L1，得到目標函數dB（S（1，1））在2.595 GHz值為0時的性能參數值。優化之后的結果如圖3～6所示。

圖3中的S參數表示在波端口處電磁波的反射功率和入射功率的比值，一般認為S參數小于-10dB表明天線能正常工作。在圖3（a）中，開槽天線的中心頻率為2.595 GHz，在S參數值為-10 dB時，上截止頻率為2.572 GHz，下截止頻率為2.619 GHz，絕對頻帶寬度為0.047 GHz，相對頻帶寬度為1.8%，S參數的最低點為-24 dB。在圖3（b）中，加載開槽天線的中心頻率為2.595 GHz，在S參數值為-10 dB時，上截止頻率為2.567 GHz，下截止頻率為2.622 GHz，絕對頻帶寬度為0.055 GHz，相對頻帶寬度為2.1%，S參數的最低點為-35 dB。

圖3 S參數圖

圖4 中的Smith圓圖代表的是優化的饋電點在諧振頻率處的歸一化情況，根據歸一化阻抗的值來判斷此時的優化是否良好，可看出天線的阻抗匹配情況。如若天線的阻抗不匹配，將導致大量的信號反射，使天線的輻射效率降低，而一般天線的輸入阻抗設為50 ohm。圖4中開槽天線在諧振頻率為2.595 GHz時的歸一化阻抗為0.9+j0.09，加載開槽天線在諧振頻率為2.595 GHz時的歸一化阻抗為1.02-j0.003，由此可見，這兩種天線都達到了良好的匹配狀態，且加載開槽天線的阻抗匹配情況稍優于開槽天線。

圖4 S11的Smith圓圖結果

圖5 中天線的增益是指通過天線最大輻射方向上的輻射強度與同一方向上理想電源天線的輻射強度比值。從圖4可以看出，開槽天線最大輻射方向為φ=0°、φ=90°，即輻射貼片的正上方，最大增益值約為1.229 7 dBi，開槽加載天線的最大增益值約為1.465 2 dBi。

圖5 E面和H面上的增益方向圖

駐波比是衡量天線性能的重要參數，是相鄰電壓最大值和最小值的比值，表示天線與傳輸饋線的匹配程度，值越小，表示匹配越好。天線正常工作時，一般要求天線的駐波比不大于2，即要求駐波比VSWR≤2。從圖6可以看出，開槽天線在2.595 GHz處，駐波比達到了1.2，加載開槽天線在2.595 GHz處，駐波比達到了0.3。結果表明天線在2.57～2.62 GHz這段頻率內駐波比滿足天線正常工作的要求，這也證明了S參數圖與駐波比保持一致的關系。

圖6 駐波比

通過圖3～6，可總結得到開槽天線和加載開槽天線的優化結果對比圖如表2所示。

表2 天線優化結果對比

從表2可以看出，本文所設計的新型加載開槽天線在不犧牲天線性能的前提下能達到實現小型化的目的。

3 結語

基于LTE的工作頻段（2.57～2.62 GHz），本文通過采用FR4環氧樹脂材料和同軸饋電方式，將天線加載和開槽技術相結合，通過對微帶貼片天線基本結構的設計、天線性能參數的分析等角度設計出了普通開槽天線和新型小型化加載開槽天線，并利用Ansoft HFSS仿真軟件對所設計天線進行了仿真、優化和比較。優化后的開槽天線和新型加載開槽天線的比較結果表明：本文所設計的新型加載開槽天線的增益、反射系數、駐波比、阻抗匹配方面的性能均優于普通開槽天線，且還能達到小型化的目的，在現代通信領域當中具有較好實用價值和應用前景。但目前，小型化天線的實際應用仍是一個熱門的問題，那么將在理想狀態下設計出的天線進行實際測試將是作者下一步的工作。

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