一種新型寬帶移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)方案

馬群洲，高攸綱

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

引言

微帶天線具有體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等優(yōu)良特性，但是微帶天線是典型的窄帶天線，由于其較小的尺寸和較大的Q值的限制，使得它的帶寬很窄，如何有效地?cái)U(kuò)展微帶天線的帶寬成為一個(gè)廣泛的課題。微帶天線的帶寬展寬主要有這幾個(gè)途徑：

降低Q值[1-3]：這主要是通過(guò)增加基片厚度和降低基片相對(duì)介電常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。增加基片厚度，從物理意義上說(shuō)，增大基板的厚度就是增大了微帶貼片四周縫隙的寬度，從而增加了從諧振腔中輻射出的能量。但是增加基片厚度在無(wú)線通信終端上常常會(huì)帶來(lái)終端厚度的增加。采用具有較大損耗的基板材料可以降低諧振腔的Q值，使天線的阻抗帶寬明顯展寬，但這是以犧牲天線效率為代價(jià)的。降低天線的介電常數(shù)可以減小諧振腔中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量，從而降低天線Q值，但是降低介電常數(shù)的潛力是有限的（最小為空氣，1）。

采用多諧振技術(shù)[1-3]：修改諧振電路，采用多層結(jié)構(gòu)，或者寄生諧振電路，使得相疊的兩片分別調(diào)諧與不同的頻率，從而使得工作頻帶展寬。

增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[4]：通過(guò)在天線和饋電點(diǎn)之間加入寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也可以獲得寬頻帶的天線性能，但是這會(huì)由于匹配器件的損耗性帶來(lái)額外的輻射效率降低。

微帶天線的多頻段技術(shù)[1,5]：實(shí)現(xiàn)微帶天線的多頻段工作一般會(huì)有三種方式：?jiǎn)纹嗄７ā纹虞d法、多片法。單片法只用一個(gè)貼片，但利用不同的模式工作，或利用加載實(shí)現(xiàn)幾個(gè)不同的諧振頻率以實(shí)現(xiàn)多頻工作；多片法是利用諧振頻率不同的多個(gè)貼片來(lái)工作。

文章同時(shí)采用微帶天線頻帶展寬技術(shù)和多頻段技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)在可以實(shí)現(xiàn)五頻段內(nèi)具有VSWR<3的駐波比的天線。

1 基本理論

微帶天線分析方法：天線分析的問(wèn)題就是求解天線在空間的Maxwell方程組，也即電磁場(chǎng)分布。求得電磁場(chǎng)分布后，進(jìn)而可以得出天線的電流分布和方向圖、增益、輸入阻抗等特性指標(biāo)。

分析微帶天線比較常用的理論模型是傳輸線模型（見(jiàn)圖1）。傳輸線模型將矩形微帶天線看成是場(chǎng)沿橫向沒(méi)有變化的傳輸線諧振器，場(chǎng)只沿長(zhǎng)度方向按駐波變化，通常是半個(gè)波長(zhǎng)，輻射主要是開(kāi)路端的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生[2]。

貼片的寬度a的大小影響著微帶天線的輸入電阻特性，因此影響天線的阻抗帶寬。貼片寬度a一般由下式?jīng)Q定，當(dāng)貼片寬度a大于上式時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生高次模。

c為光速， fr為微帶天線的諧振頻率，rε為介質(zhì)板介電常數(shù)。

貼片長(zhǎng)度b原則上是1/2諧振波長(zhǎng)，但是考慮到邊緣縮 放效應(yīng)后，實(shí)際貼片長(zhǎng)度b由下式?jīng)Q定。

其中哈默斯塔德給出的Δl經(jīng)驗(yàn)公式為：

有效介電常數(shù)為：

2 天線結(jié)構(gòu)與仿真模型

文章提出的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，其制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為0.8的玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂介質(zhì)板上。為了提高天線的帶寬，天線的左邊部分采用了寄生天線，以提高高頻部分的帶寬，同時(shí)為了彌補(bǔ)長(zhǎng)度不夠的不足，寄生部分的接地通過(guò)采用串聯(lián)一個(gè)12nH的電感實(shí)現(xiàn)接地。為了提高低頻部分的帶寬，接地板的地分成了兩個(gè)部分，中間縫隙為1mm，兩個(gè)地通過(guò)一個(gè)10nH的電感相連接，具體天線尺寸參見(jiàn)圖2。

圖1 微帶天線等效模型

3 仿真與分析

圖2 天線尺寸圖

圖3 天線阻抗回波損耗和阻抗圓圖

圖4 電流分布圖

如圖3所示為天線的回波損耗仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，天線在0.816GHz～1.099GHz頻段和1.701GHz～2.260GHz頻段內(nèi)回波損耗均可以達(dá)到-6dB。其中低頻部分主要是由地板之間的縫隙部分和主天線輻射片產(chǎn)生，高頻的第一個(gè)諧振點(diǎn)部分主要是由主輻射片的左半部分和寄生天線產(chǎn)生，高頻的第二個(gè)諧振點(diǎn)部分則主要是由地板之間的縫隙部分和寄生天線產(chǎn)生。圖4(a)（b） (c)分別是這三個(gè)頻點(diǎn)的電流分布圖，從圖我們可以明顯的看出天線諧振的產(chǎn)生部分。

圖5 在縫隙中串聯(lián)不同電感值時(shí)的回波損耗

圖6 天線輻射方向圖

圖7 天線實(shí)物圖

圖8 實(shí)測(cè)天線結(jié)果

對(duì)于低頻，其主要輻射來(lái)自于地板間的縫隙和主輻射片兩部分，兩個(gè)諧振點(diǎn)在比較合適的間距情況下，可以形成參差調(diào)諧，有效的擴(kuò)展帶寬。而對(duì)于縫隙輻射，串聯(lián)的電感起到調(diào)節(jié)諧振頻率的作用。通過(guò)調(diào)整不同的電感值，可以實(shí)現(xiàn)低頻帶寬的優(yōu)化，下圖5就是對(duì)應(yīng)一組電感值的回波損耗，電感值L有(4nH,7nH,10nH,13nH,16nH)，顯然在選擇10nH的時(shí)候，可以獲得較寬的低頻帶寬。

圖6(a) (b) (c)分別是天線在0.960GHz，1.691GHz，2.072GHz時(shí)的方向圖，由圖b可知天線輻射性能基本達(dá)到全向，滿足移動(dòng)通信終端的工作需要。

4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖7為最終所制作的天線實(shí)物，并用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行了阻抗測(cè)試，而且在天線暗室中進(jìn)行了效率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，圖8（a）為測(cè)試的回波損耗結(jié)果，圖8（b）為在天線暗室中測(cè)試的輻射效率。結(jié)果表明天線的阻抗特性和輻射效率都滿足五頻天線的需要。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶天線，可以滿足GSM 850/900/1800/ 1900以及WCDMA2100五個(gè)頻段的需求，通過(guò)采用開(kāi)槽，加寄生輻射片以及多層輻射片等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)五頻天線可以使用在五頻手機(jī)上。

[1]盧萬(wàn)錚.天線理論與技術(shù)[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004: 245-249.

[2]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1991: 152-159.

[3]KIN-LU WONG. Compact and Broadband Micro strip Antennas[M]. John Wiley&Sons, Inc., 2002: 129-149.

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[5] Kim Dong-Yeon. A compact tri-band PIFA with multiplefolded parasitic elements [J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2007: 259-262