一種應用于4G通信的小型多頻手機天線

宋盼,謝亞楠,潘登科,劉志昆,耿莉

(上海大學通信與信息工程學院,上海200444)

一種應用于4G通信的小型多頻手機天線

宋盼,謝亞楠,潘登科,劉志昆,耿莉

(上海大學通信與信息工程學院,上海200444)

提出了一種新型的應用于4G通信的小型多頻手機天線.利用折疊單極子、多枝節諧振等技術使天線諧振在多個頻段.天線結構緊湊(32 mm×15 mm×0.8 mm),由兩個折疊單極子組成,長度均約為1/4諧振波長,其中倒C形枝節諧振在2 GHz附近,倒F形枝節諧振在900 MHz附近.天線通過50Ω匹配傳輸線直接饋電,兩個枝節共同疊加耦合輻射,實現帶寬810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,覆蓋了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/ LTE 2300/2500頻段,符合4G通信手機天線的標準.對天線進行了加工和測試,測試結果與仿真結果基本吻合.

手機天線;單極子天線;小型多頻天線;4G

隨著移動通信技術的快速發展,應用于手機上的頻段越來越多,天線多頻化和寬帶化已成為必然需求,但因手機物理空間的局限性,天線小型化亦迫在眉睫.另一方面,天線尺寸的減小又意味著頻帶變窄、效率降低.如何在保證天線工作性能的前提下,設計出小型多頻天線成為世界性的研究熱點.對于4G通信,除了3G時代常用的頻段GSM850(824～894 MHz),GSM900(880～960 MHz),DCS 1800(1 710～1 880 MHz),PCS 1900(1 850～1 990 MHz), UMTS(1 920～2 170 MHz)之外,手機天線還需要覆蓋新的通信頻段,如LTE 700(698～787 MHz),LTE 2300(2 350～2 400MHz),LTE 2500(2 500～2 690 MHz)等.

對于4G通信手機天線,很多研究者已經做了大量的工作[1-7],設計出了能同時工作在多個頻段的小型化天線.然而已有的4G通信天線有的只能覆蓋較少的通信頻段,有的天線雖然滿足了基本通信頻段但尺寸較大,需要占用較大的空間.

本設計利用折疊單極子多枝節諧振等技術使天線諧振在多個頻段,天線輻射單元由兩部分折疊枝節構成,整體可以產生900 MHz,1.54,1.72和2.60 GHz共4個主要諧振點,結構簡單且性能良好.實驗結果表明,本設計天線結構緊湊(32 mm×15 mm×0.8 mm),帶寬為810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,覆蓋了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/LTE 2300/2500頻段,符合4G通信手機天線的標準.

表1比較了多篇已有文獻中的天線帶寬和尺寸.通過此表可以直觀地看出,綜合天線帶寬和尺寸,本設計仍具有一定優勢.

表1 本設計天線與已有文獻天線的比較Tab le 1 Contrast between antennas fromdiff erent papers

1 天線結構與設計

本工作所設計的天線結構如圖1所示,為了模擬真實環境中手機天線的輻射情況,在手機地板的周圍設置介電常數(εr)為3.0,介電損耗角正切值(tanδ)為0.02的殼體來模擬手機的真實外殼,外殼厚度為1 mm,整體高度為10 mm.天線采用εr=4.4,tanδ=0.02的環氧樹脂(FR4)作為介質板,介質板大小為55 mm×115 mm×0.8 mm;天線輻射部分位于介質板的左上角,所占面積為32 mm×15 mm;介質板背面地板由兩部分組成,所占面積分別為55 mm×100mm和21mm×15mm.

天線倒C形枝節(簡稱枝節1)的總長為32.5 mm,約為2 GHz頻點下波長的1/4;倒F形枝節(簡稱枝節2)在枝節終端又分為兩個電流走向,利用F形形狀的特點,使得兩條電流路徑的長度稍有不同,進而諧振在兩個不同但很接近的低頻點上,拓寬了低頻的帶寬.枝節2中兩條電流路徑的長度分別為65.9和70.0 mm,結合枝節間耦合作用,使得枝節2諧振在900 MHz附近.天線通過50?匹配傳輸線直接饋電,兩個枝節共同疊加耦合輻射,最后實現天線阻抗帶寬為810～971MHz和1 495～2 786MHz,覆蓋了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/ LTE 2300/2500頻段,符合4G通信手機天線的標準.

圖1 天線結構圖F ig.1 Geometry of the proposed antenna

在天線設計過程中,利用三維電磁仿真軟件HFSS(high frequency structure simulator,高頻結構仿真器)進行仿真和分析.以手機天線設計中被廣泛接受的S11<-6 dB[2-12]作為界定天線阻抗帶寬的評判標準.為了揭示本設計天線的工作原理,圖2分別對比了不同天線結構的S11仿真結果,發現天線1#和天線2#中的尺寸和本設計相同.

從圖2中也可看出,天線1#作為高頻輻射枝節,單獨輻射時會在2 GHz附近產生諧振;天線2#作為低頻輻射枝節,單獨輻射時會在0.9 GHz附近產生基模諧振,并在1.56和2.30 GHz處產生高次模諧振.將天線1#和天線2#結合起來形成本設計的天線,整體可以覆蓋810～971 MHz和1 495～2 786 MHz.

圖3～5分別分析了不同參數對天線性能的影響.圖3通過改變t的大小(即圖1(b)中倒F形枝節中兩條末端枝節之間的距離)來觀察天線反射系數的改變,從而優化天線參數.此時,枝節1的位置固定,調節t既是調節枝節1中兩條末端枝節之間的距離,也在調節枝節1和枝節2之間的距離.從圖3可以看出,t的改變可以影響900 MHz處S11的大小及高頻可以覆蓋的最高頻率.經權衡,t=2.7mm是較好的選擇.

圖2 不同天線結構的S11圖F ig.2 S11of diff erent antenna geometry

圖3不同t對天線S11的影響F ig.3 S11versus the length of t

圖4 是通過改變s的大小(即圖1(b)中倒C形枝節中兩條金屬帶之間的距離)來分析其對天線性能的影響.可以看出,調節s對高頻影響較大,對低頻影響很小,且s越大,1.7 GHz附近的頻點會變低,而2.6 GHz附近的頻點會變高.圖5是通過改變枝節1中l的大小來觀察天線性能的變化.可以看出,l的改變對高頻影響較大,對低頻基本沒有影響,且隨著l的增大,高頻頻點會往低處偏移,且高頻帶寬會變窄.

2 實驗結果及分析

本工作不僅對天線進行了仿真,還制作了實物,并運用網絡分析儀進行測量.圖6為天線的實物圖,圖7為天線的仿真和實測的S11.仿真結果中天線帶寬為810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,實測結果與仿真結果偏差較小,基本吻合.實測天線低頻阻抗帶寬為825～995 MHz,高頻天線阻抗帶寬為1 580～2 680 MHz,滿足通信頻帶要求.

圖4 不同s對天線S11的影響Fig.4 S11versus the length of s

圖6 天線實物圖F ig.6 Photographs of the proposed antenna

圖5 不同l對天線S11的影響Fig.5 S11versus the length of l

圖7 S11的仿真與實測結果比較Fig.7 Comparisons of themeasured and simulated results of S11

圖8 (a)～(c)分別給出了天線在935,1 785和2 380MHz所測得的x-y,y-z和z-x三個平面的EΨ,Eθ.可以看出,所測各個頻點的天線具有與對稱振子天線相似的全向輻射特性,可以接收和發射全方位的信號.

圖8仿真和實測的輻射方向圖Fig.8 Measured and simulated radiation patterns

圖9 給出了天線在各個頻率的最大增益和效率的仿真和實測結果.可以看出,在820～980MHz之間的天線增益為-0.5～2.9 dBi,輻射效率為42.3%～88.5%;在1 640～2 600MHz之間的天線增益為0.8～2.5 dBi,輻射效率為55.6%～78.7%.

3 結束語

本工作提出了一種新型的應用于4G通信的小型多頻手機天線.本設計天線結構緊湊,大小為38 mm×12 mm×0.8 mm.本設計運用3個折疊微帶線產生900 MHz,1.54,1.72和2.60 GHz共4個主要諧振點,并通過多個枝節的疊加和耦合使天線帶寬變寬,實現了天線阻抗帶寬為810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,覆蓋了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/ LTE 2300/2500頻段.對天線進行了加工和實測,所得實測結果和仿真結果基本吻合,符合現代超薄智能手機對4G通信天線的要求.

圖9 天線增益和輻射效率Fig.9 Antenna gain and radiation effi ciency

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Acompact mu ltiband mob ile phone antenna for 4G commun ication

SONG Pan,X IE Yanan,PAN Dengke,LIU Zhikun,GENG Li
(School of Communication and In formation Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Anovel compact multiband mobile phone antenna for 4G communication is proposed.Using meandered monopoles and multiple branches,the antenna can resonate in multiple bands.The antenna is compact in size 32 mm×15 mm×0.8mm.It consists of two meandered monopoles both having a length of about 1/4 wavelength.The C-shaped stripresonates at 2 GHz and the F-shaped stripat 900 MHz.The antenna is directly fed by a 50Ωmatching transmission line.The two strips co-radiate by combining and coupling to each other to achieve bandw idth of 810～971 MHz and 1 495～2 786 MHz, covering GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/LTE 2300/2500 and meeting the requirements of mobile phone antenna for 4G communication.Aprototype is fabricated and tested, show ing general agreement between simulation and measurement results.

mobile phone antenna;monopole antenna;compact multiband antenna;4G

TN 828.6

A

1007-2861(2017)04-0535-08

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1676

2015-07-08

謝亞楠(1962—),男,研究員,博士生導師,研究方向為微波遙感與系統、射頻電路等.

E-mail:yxie@shu.edu.cn