應用于帶有閉合金屬邊框手機的縫隙天線

操瑞鑫,葉 明,倪 楊

(上海大學通信與信息工程學院,上海 200072)

應用于帶有閉合金屬邊框手機的縫隙天線

操瑞鑫,葉 明,倪 楊

(上海大學通信與信息工程學院,上海 200072)

提出了無斷開 (閉合)金屬邊框情況下平面手機天線的模型,解決了在閉合金屬情況下導致的傳統平面天線帶寬變窄的問題。通過天線折疊技術,將其面積縮小至手機應用的尺寸內。然后,進一步的阻抗匹配使在smith圓圖上將天線的阻抗帶寬調到了最大,使天線能夠覆蓋GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS 5個頻段。采用開槽天線將金屬邊框作為天線的一部分能解決金屬框對天線的影響。實測結果表明,低頻部分帶寬為142 MHz,高頻部分帶寬有480 MHz,滿足了常用頻段的需要。同時,為了避免發生手握的影響,金屬框和地的接地點置于電路基板頂段,從而降低了手握的影響。

手機天線;金屬邊框;縫隙天線

1 引 言

近年來,為了保證手機的強度、質感和美觀,一些手機廠商在設計手機邊緣時增加一層金屬邊框,而為了減小導體邊框對手機天線性能的影響,一般采用有一定高度的平面倒F天線(Planar Inverted-F Antenna,PIFA)[1-2]來減小導體邊框對天線的影響。但隨著手機外形越來越輕薄,而PIFA天線需要一定的高度才能保證有一定的帶寬,所以目前對PIFA天線的設計提出了新的要求。而對于單極天線或者IFA天線,金屬框的影響也會非常嚴重,減小其阻抗帶寬,所以需要有新的方法來解決這個問題。將手機金屬殼體接地[3]或改變金屬殼體尺寸[4]可以改善對天線的影響;有些采用開關切換來進行可重構[5-6],從而使天線帶寬滿足實際的需求;也有很多通過二極管[7-8]來切換,使天線工作時滿足需要的帶寬。iphone4采用斷開金屬框,并用金屬框作為天線的一部分,但沒有更好地解決手機強度問題。在本文中,采用了平面縫隙結構的天線,利用手機的金屬邊框作為手機天線的一部分,激勵起主板和金屬邊框之間的縫隙來提高天線的抗金屬性能。實驗結果表明,這種天線結構滿足了GSM850(Global System for Mobile Communication,824～ 894 MHz)、GSM900(880～ 960 MHz)、DCS1800(Digital Communication System,1 710～ 1 880 MHz)、PCS1900(Personal Communication System,1 850～ 1 990MHz)、UMTS(Universal Mobile Telecommunication System,1 920～2 170 MHz)等5個頻段。文獻[9-10]說明了主板上電流的大小及分布決定了手握對天線的影響,電流越大,手握影響越大,反之,電流越小,手握的影響越小。把此天線縫隙盡量開到手機的頂部,下半部分可以充分接地,從而使主板上的電流減到最小,降低手握對天線性能的影響。

2 天線的設計與仿真

圖1所示的復合型縫隙天線包含兩條長短不同的縫隙,印制在電路基板上,在電路基板的背面采用50 Ψ的微帶線饋電。電路基板長度為126 mm,寬度為66 mm,厚度為1 mm。電路基板采用相對介電常數為4.4的FR4材料,其電導率σ在頻率為900 MHz時是0.005 5 s/m,在頻率為2 000 MHz時是0.010 7 s/m。本復合型縫隙天線采用折疊狀結構能很大程度減少天線在電路基板上所占用的面積[11-12],而且利用金屬裝飾邊框與電路基板之間應有的縫隙作為天線的一部分,更加減小了天線占用空間。第一天線也就是比較長的縫隙,呈“勺子”型,其長度為115 mm,產生一個在頻率為900 MHz時的約1/2波長基本諧振模式和頻率為2 000 MHz時的約1波長第二個諧振模式。第二天線呈倒C型,也就是短縫隙,其長度為70 mm,產生另外一個在1 800 MHz的約1波長諧振模式。具體結構如圖1所示,圖1中所示的A區域是留給手機的揚聲器位置,因此天線在電路基板上實際占用面積僅38 mm×13 mm。

圖1 縫隙天線結構圖Fig.1 Structure of slot antenna

根據圖1所示的結構,第一天線和第二天線采用折疊結構減小了天線在電路基板上的面積,第二天線折疊在第一天線內部,沒有增加天線所占用的區域,但是產生了一個高頻諧振,改善了天線的高頻帶寬,而且減少電路基板下半部分電流分布,從而降低手握時對天線射頻信號輻射的影響。

介質基板背面采用阻抗為50 Ψ的微帶線饋電,微帶饋線垂直于縫隙,位置在中間偏右。這樣的饋電形式激勵起印刷縫隙天線的兩種諧振模式(1/2波長和1波長模式)[12]。通過調整微帶饋線的寬度、長度和位置使在這兩種諧振模式時有比較好的阻抗匹配。

在上述理論分析與設計優化之后天線的詳細尺寸為:a=6 mm,b=24 mm,c=13 mm,d=10 mm,e=13 mm,f=30 mm,g=40 mm,h=17 mm,i=16 mm,j=6 mm,k=15 mm。

圖1所示的金屬邊框1為縫隙天線的組成部分,我們可以把它模擬成為手機中的閉合金屬邊框,厚度為2 mm,然后按照圖1中特定的幾個位置(2、3、4、5)用微帶線把電路基板和金屬邊框相連,使金屬邊框與電路基板之間形成特定長度的縫隙,把金屬邊框成為天線的一部分。

3 實驗結果與分析

在上述分析和設計的基礎上,用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS13軟件對天線進行仿真和優化,得到上述的天線尺寸參數。根據這些參數,對天線進行了實際加工,天線實物圖如圖2所示。在微波暗室對天線進行了實際測量,效率范圍為40%～70%。用Agilent8722ES矢量網絡分析儀進行實際測試,測得結果與實際仿真結果如圖3所示。從圖3可以看出,仿真結果與實測結果基本吻合,但仍然有少量偏差,分析原因可能是由于實際加工精度和材料性能對天線與饋電網絡沒有完全達到阻抗匹配所致。天線阻抗帶寬的實測結果表明,該復合型天線工作頻率范圍低頻部分為818～960 MHz,絕對帶寬為142 MHz,相對帶寬為16%;高頻部分工作頻率范圍為1 700～2 180MHz,絕對帶寬為480 MHz,相對帶寬為24.7%,滿足手機通信的5個頻段。

圖2 天線實物圖Fig.2 Photo of the slot antenna

圖3 天線回波損耗仿真和實測圖Fig.3 Comparison of simulated and measured return loss

復合型折疊縫隙天線的不同縫隙長度對天線阻抗匹配有很大的影響。圖4分別給出了天線a、h、i 3段不同的長度對天線回波損耗的影響:(a)顯示了a的長度對低頻頻帶和高頻頻帶影響都很大,隨著a增大,低頻帶向高偏移,在a=18.5 mm時有比較好的阻抗匹配,使高、低頻段阻抗帶寬覆蓋到手機正常通信的GSM850/GSM900/DCS/PCS/UMTS 5個頻段;(b)表明h的長度主要影響低頻頻段,隨著h的增加,第一天線的總長度增加,當縫隙長度增加時,諧振點向低頻段移,因此優化后h的值設計為14.2 mm;(c)表明高頻部分的第一個諧振點僅受i的影響,所以此諧振頻率是由第二天線產生的。為了使高頻頻段覆蓋的頻率大于1 710MHz,i設定為6mm。

圖4 天線回波損耗隨不同參數的變化Fig.4 Comparison of return loss in different cases

在得到比較好阻抗特性前提下,對天線的輻射方向圖進行了仿真,圖5(a)、(b)、(c)分別給出了天線在0.9 GHz、1.8 GHz、1.9 GHz時 E 面和 H 面的歸一化輻射方向圖。

圖5 天線方向圖Fig.5 Radiation patterns of the antenna

圖6(a)、(b)分別給出了天線在824～960MHz和1 710～2 170MHz頻率范圍內的最大增益仿真結果。

圖6 天線的增益仿真結果Fig.6 Peak gain of the antenna

4 結 論

本文提出了一種能應用于帶有閉合金屬邊框手機的縫隙天線,采用了在電路基板上加載兩條復合型不同長度的縫隙設計,而且該天線充分利用手機金屬邊框和系統電路基板之間存在的縫隙,使手機金屬邊框成為天線的一部分,從而解決金屬邊框影響天線性能的問題,并且分析了天線參數變化點天線頻率響應的影響。實驗結果表明,該多頻天線工作頻段覆蓋 GSM850、GSM900、DCS、PCS 、UMTS 5 個頻段,天線的阻抗帶寬和增益均滿足現代個人移動通信系統的工作要求,具有廣闊的應用前景。該天線具有結構簡單、制作成本低、實用性強等特點。如何在滿足5個頻段帶寬和增益要求下縮小天線尺寸是以后的研究方向之一。

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CAO Rui-xin was born in Anqing,Anhui Province,in 1986.He is now a graduate student.His research interests include microwave RF circuit and antenna.

Email:crxsam@163.com

葉 明(1957—),男,浙江人,高級工程師、碩士生導師,主要研究方向為微波與射頻電路、微帶天線;

YE Ming was born in Zhejiang Province,in 1957.He is now a senior engineer and also the instructor of graduate students.His research interestsinclude microwave RF circuit and microstrip antenna.

Email:yeming@staff.shu.edu.cn

倪 楊(1989—),男,江蘇金壇人,碩士研究生,主要研究方向為微波射頻電路和天線。

NI Yang was born in Jintan,Jiangsu Province,in 1989.He is now a graduate student.His research interests include microwave RF circuit and antenna.

A Printed Slot Antenna for Mobile Phone with Unbroken Metal Frame

CAO Rui-xin,YE Ming,NI Yang
(College of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The model to solve unbroken(closed)metal framed planar handset antenna is proposed.This model adopts the slot antenna to solve the narrow bandwidth caused by unbroken metal frame by the traditional planar antenna.By further folding,the area of the slot antenna is reduced to be suitable for handset.Through impedance matching,the smith chart is properly adjusted to gain the widest bandwidth for the band of GSM850,GSM900,DCS,PCS,UMTS.This structure uses the metal frame as a part of the antenna in order to solve the effect caused by traditional antenna and the metal frame.Test result showsthat the bandwidth is 142 MHz at the low-band and the bandwidth is 480 MHz at the high-band,which satisfies the common band for antenna.In order to avoid the hand effect,the grounding point for the metal frame is set away from the ground.

mobile phone antenna;metal frame;slot antenna

TN82

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.025

1001-893X(2012)06-0956-04

2011-11-23;

2012-02-22

操瑞鑫(1986—),男,安徽安慶人,碩士研究生,主要研究方向為微波射頻電路和天線;