一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線

摘 要:提出一種基于時域有限差分法分析的多頻帶平面單極天線，以回波損耗-10 dB為標準，實際測得的天線工作頻帶覆蓋了GSM900/DCS1800/PCS1900頻段，同時還覆蓋了TD-SCDMA相應工作頻段。天線的主輻射單元是一個開槽的矩形輻射片，通過添加一個接地的耦合輻射分枝，有效擴展了天線的工作帶寬。在設計過程中，比較了耦合輻射分枝的影響，以及主輻射單元中結構尺寸的變化對天線頻率特性的影響，通過有目的的改進和優化，逐步提出性能良好，滿足具體指標要求的多頻帶單極天線，通過對試驗天線的測量得知，回波損耗和方向圖的測量結果與仿真結果保持一致。

關鍵詞:單極天線; 多頻帶天線; 時域有限分析法; TD-SCDMA

中圖分類號:TN822 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0107-04

FDTD-based Multi-band Monopole Antenna

XU Hong-jun

(China Samsung Telecom RD Center， Beijing 100125， China)

Abstract: A multi-band planar monopole antenna based on finite difference domain (FDTD) for TD-SCDMA/GSM dual mode handset is introduced. The antenna is calculated by FDTD to verify the design theory. The operation frequency of trial prototype with return wave loss lower than -10 dB， can meet the requirements of GSM900/DCS1800/PCS1900 and TD-SCDMA . The antenna includes one rectangular slotted patch and grounded sub-branch that expands antenna operation bandwidth. During antenna design， the effect of sub-branch and main patch structure on antenna performance are analysed. Through improvement and optimization， a good performance multi-band monopole antema which meets the requirement of specific targets is proposed. Comparing the return wave loss with radiation pattern， the measured results keep with the simulation data.

Key words: monopole antenna; multi-band antenna; FDTD; TD-SCDMA

0 引 言

隨著無線通信中語音業務、窄帶和寬帶數據業務的發展，具有3G功能的手機將逐步成為市場的主流。同時，手機的設計也日新月異，對天線的寬頻帶特性、多頻工作及小型化要求更為苛刻。目前，多模手機一般只采用一個能支持多種無線制式的多頻帶天線。多頻帶手機天線主要采用PIFA天線和單極天線，相比其他形式的天線，這兩類天線都具有剖面低、體積小、設計方便等特點，因此廣泛用于手機等移動通信終端上。基本的PIFA天線是將倒F天線的水平振子改變成平面形式，從而引出了平面倒F天線。隨著對PIFA天線的深入研究，又出現了很多性能良好的新型PIFA天線。面對多模手機對多頻帶天線的要求，單極天線大帶寬和高增益更適合多模手機幾百兆帶寬的需求，而且內置平面單極天線的結構靈活，易于與當今多變的手機結構相配合，目前市場流行的超薄超小手機普遍采用這類天線。

多頻帶單極天線設計常用的多帶技術主要有多輻射分枝結構、優化饋電線結構或增加輸入匹配集總元件，優化輻射片與地的容性負載，輻射貼片開槽，調整輻射片形狀，增加電流密度獲得的高階模式。文獻[1]和文獻[2]采用多個輻射分枝的結構，提出了兩典型的多分枝單極天線，文獻[3]在矩形平面單極天線的內部，嵌入一個彎曲的切槽，實現GSM/DCS/PCS三頻帶天線。

本文提出的多頻帶單極天線，通過在平面矩形天線上開槽，實現GSM/DCS/PCS頻段，同時通過一接地耦合輻射片，有效拓展了天線的工作頻段，能同時滿足TD-SCDMA制式。由于設計的天線可以與手機的其他電路制作在同一印制板上，因此天線的制作價格很低，天線高度非常適合超薄手機。

1 天線的設計和仿真

傳統的單極天線，輻射分枝的長度約為1/4波長[4，5]。單極天線的輻射電阻和輻射場，可以利用鏡像原理來計算。簡單單極天線有較低的輻射電阻rr40π2(h/λ)，電抗為大的容性。對于無窮大地其輻射圖等同于偶極子，如果將地逐步縮小，將無法形成理想鏡像，地面的電流分布將發生變化。在現代天線設計中，利用電磁場仿真軟件對天線進行仿真成為天線設計的主要方式。本文使用的電磁場仿真軟件采用時域有限差分法，在時域進行計算。由于激勵信號可以是具有很寬頻譜分量的窄脈沖，與傅里葉變換相結合，可以通過一次計算得到計算對象所需頻帶寬度內的特性，因此特別適合寬帶問題的研究。

利用時域有限差分法分析電磁場時，首先將計算空間劃分成有限網格，每一電場分量由四個磁場分量環繞，每一磁場分量亦由四個電場分量環繞，這種劃分方法滿足麥克斯韋旋度方程的結構形式，適合旋度方程在空間進行差分運算，而且可以恰當地描述電磁波在空間的傳播過程。將麥克斯韋旋度方程在上述空間網格和時間上進行離散，用下面的符號來表示任意場分量F在點(x，y，z，t)的值:

F(x，y，z，t)→F(iΔx，jΔy，kΔz，nΔt)→Fn(i，j，k)

式中:Δx，Δy，Δz分別是x，y，z方向上的空間網格步長;Δt是時間步長;i，j，k為整數，因此可用具有二階精度的差分運算來替代微分運算[6]。

為了便于計算編程，空間和時間的編號為整數值，可得到無源區麥克斯韋旋度方程式(1)和式(2)的各分量的迭代公式見式(3)~式(8):



×E=μHt(1)

×H=εEt(2)

Hnx(i，j，k)=Hn-1x(i，j，k)+1ηΔτΔz[En-1y(i，j，k)-En-1y(i，j，k-1)]-1ηΔτΔy[En-1z(i，j，k)-En-1z(i，j-1，k)](3)

Hny(i，j，k)=Hn-1y(i，j，k)+1ηΔτΔx[En-1z(i，j，k)-En-1z(i-1，j，k)]-1ηΔτΔz[En-1x(i，j，k)-En-1x(i，j，k-1)](4)

Hnz(i，j，k)=Hn-1z(i，j，k)+1ηΔτΔy[En-1x(i，j，k)-En-1x(i，j-1，k)]-1ηΔτΔx[En-1y(i，j，k)-En-1y(i-1，j，k)](5)

Enx(i，j，k)=En-1x(i，j，k)+ηΔτΔy[Hn-1z(i，j+1，k)-Hn-1z(i，j，k)]-ηΔτΔz[Hn-1y(i，j，k+1)-Hn-1y(i，j，k)](6)

Eny(i，j，k)=En-1y(i，j，k)+ηΔτΔz[Hn-1x(i，j，k+1)-Hn-1x(i，j，k)]-ηΔτΔx[Hn-1z(i+1，j，k)-Hn-1z(i，j，k)](7)

Enz(i，j，k)=En-1z(i，j，k)+ηΔτΔx[Hn-1y(i+1，j，k)-Hn-1y(i，j，k)]-ηΔτΔy[Hn-1x(i，j+1，k)-Hn-1x(i，j，k)](8)



式中:η=μ/ε為介質中的波阻抗;Δτ=vΔt為一個時間步長波在空間走過的距離;v=1/εμ為介質中波的相速，其中ε為媒質的介電常數，μ為媒質的磁導率[7]。

采用數值計算空間總是有限的。為了在有限空間中計算電磁場量，需要對有限空間的周圍邊界做特殊處理。在FDTD中使用PML(Perfect Match Layer)技術，可以將計算區域設置為真空，在計算區域內存在散射體和外向波，計算區域由PML吸收媒質包圍，PML媒質之外是理想導體[8]。

基本多頻帶單極天線結構如圖1所示，PCB主板采用通用FR4材料，板厚1 mm，尺寸為40 mm×105 mm。天線的主輻射單元通過開槽形成兩個輻射分枝，這兩個輻射分枝長度不同，通過調整輻射分枝的長度，可得天線獲得兩個諧振頻率，分別對應900 MHz和1 800 MHz。靠近饋線的接地輻射片用于調節高端的諧振頻率，使得高頻帶的工作范圍能滿足TD-SCDMA要求，天線輻射單元的最終尺寸通過仿真軟件的優化而確定。

圖1 多頻帶單極天線外形(單位:mm)

圖2顯示了接地寄生輻射分枝對天線工作頻帶的影響。從圖2(a)可以看出，沒有接地輻射分枝的情況下，天線僅能覆蓋GSM900和DCS1800，通過添加接地輻射分枝，有效地擴展了天線的工作頻帶。圖2(b)顯示了接地輻射分枝的長度L3對天線高頻帶的影響。通過調整其長度，使得與主輻射片的短輻射分枝的諧振頻率部分交疊，可以獲得最大的工作頻帶。

天線中主輻射單元的結構尺寸對天線回波損耗的影響如圖3所示。圖3(a)顯示，長輻射分枝的長度L2越長，900 MHz工作頻帶的中心頻率下移，工作帶寬變窄，同時1 800 MHz的工作頻率也變低，導致帶寬變寬;圖3(b)顯示，調整短輻射分枝的長度L1，對900 MHz的工作頻帶基本無影響，而1 800 MHz的工作頻帶下限變低，加寬了工作帶寬。通過軟件優化，獲得了最佳的結構尺寸，可滿足天線的設計要求。

圖2 多頻帶單極天線接地輻射分枝的影響

2 數據仿真和試驗結果

通過上述仿真分析，在保證天線輸入端的S11參數小于-10 dB，最終確定了天線的結構尺寸，其中L1=21.3 mm，L2=18.75 mm，L3=22 mm。根據優化后的天線結構，制作了試驗天線，見圖4。利用Agilent矢量網絡分析儀E5701B(頻率范圍300 kHz～6 GHz) 對天線特性進行了測量， 天線S11的實際測量頻率范圍是0.5～2.5 GHz。圖5給出了天線S11的測量結果和仿真結果。從仿真數據可以得到，天線在低頻帶的工作頻率為863~973 MHz，高頻帶的工作頻率為1 690~2 100 MHz;而實際制作的試驗天線在低頻段的工作頻率為888~990 MHz，比GSM900(890～960 MHz)的工作頻帶略寬，高頻段工作頻頻率167~2 200 MHz，覆蓋了DCS/PCS/TD-SCDMA(1 710～2 025 MHz)的所有工作頻帶。同時，從圖中可以看出，實際的測試結果與仿真的數據相比，實際制作的天線在GSM900比較吻合;在DCS/PCS/TD-SCDMA高頻帶，測量數據與仿真數據略有一定偏差，試驗天線在1 860 MHz有一個諧振點，此外寄生輻射分枝的諧振頻率相對變高。

圖3 天線結構參數對性能的影響

圖4 試驗天線原型

圖5 天線回波損耗

圖6比較了天線仿真方向圖和試驗天線的測試方向圖。由仿真天線方向圖可知，天線方向圖與典型的單極天線方向圖非常接近，垂直平面內的輻射方向圖具有比較好的全向性能，同時工作頻率的提高，使水平方向圖中波瓣增加，但垂直平面內仍保持較好的全向特性。比較仿真的方向圖和實際測試的方向圖，由于測試數據的波動，導致兩者形狀差別很大，但實測方向圖與仿真數據相比在幅度上基本一致。

圖6 天線方向圖比較

3 結 語

提出的多頻帶單極天線采用一開槽的輻射片和耦合饋電的寄生輻射分枝，使得在888～2 200 MHz的頻帶范圍內能獲得多個諧振頻率，因此設計天線能夠

滿足GSM900/DCS1800/PCS1900和TD-SCDMA雙模

移動通信終端對天線的要求。采用經過仿真優化后的天線結構制作的試驗天線，其回波損耗能滿足設計要求，并與軟件仿真結果相一致。

本文提出的多頻帶單極天線，其高度很低，但與地平面的距離還有縮小空間，可進一步研究距離縮短導致帶寬變窄的改善措施，同時，考慮未來通信可能使用2.3~2.4 GHz頻段，可繼續研究具有更寬帶寬的單極天線。

參考文獻

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