應用于平板電腦的4G—LTE/WWAN天線設計

摘 要：隨著3G網絡的廣泛建設以及LTE 和WiMAX 標準的興起，移動通信系統正向著4G時代穩步邁進。文中提出了一種應用在平板電腦上多頻段平面單極LTE/WWAN天線的設計方法，該天線結構由一個變形的L貼片和兩個寄生短截線構成。天線的頻段可覆蓋整個LTE （LTE700/2300/2500）及五個WWAN （GSM850/900/1 800/1 900/UMTS）頻段。其頻率帶寬可分為低頻部分：700～960 MHz 和高頻部分：1 710～2 700 MHz，可在整個帶寬內做到無縫銜接的寬帶通信。該天線不僅可以實現寬頻化，而且結構簡單、尺寸小、易于集成。

關鍵詞：小型化；多頻段；寬帶化；天線設計

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0041-03

0 引 言

隨著4G網絡的興起，移動通信產業又迎來一個高速發展的時期。移動終端設備也進一步朝著互聯網在線設備的方向發展，而天線作為終端的關鍵部件，其性能極大地制約著終端的整體性能，傳統的移動終端天線已經不能滿足4G 無線通信多頻帶和寬頻化的要求。研制能覆蓋LTE和原有所有通信頻率的小型化天線就具有十分重要的意義。本文正是以此為背景，設計了一款應用于平板電腦的4G-LTE天線。天線的尺寸為40 mm×15 mm，能夠產生的工作頻段能覆蓋所需要的700～960 MHz和1 710～2 700 MHz頻段。目前中國移動進行的TD-LTE規模試驗使用的D頻段（2 575～2614 MHz），最終結合F頻（1 880～1 900 MHz）共同組建4G-LTE網絡。中國聯通的4G-LTE實驗網絡已經確定采用1800 MHz的頻段（1 755 MHz～1 785 MHz，1 850 MHz～1880 MHz）進行測試，中國電信使用2.6 GHz（2 600～2 620 MHz或2635～2 655 MHz）為主要頻率。因此，我們所設計的天線完全滿足4G系統對于工作頻段的要求。

1 天線結構設計

由于微帶天線具有薄的平面結構、便于共形、制作簡單、成本低等優點，被廣泛用于測量和通信行業的各個領域。本文就是基于FR4介質基板的微帶天線。選用的FR4介質基板的εr=4.4，損耗角正切為0.02，厚度為0.8 mm。圖1給出了天線的幾何尺寸。

使用195 mm×107 mm的FR4基板加上天線高度的15mm來模擬195 mm×122 mm的7英寸的顯示器，模擬顯示器的大小可以變化，而且對天線的影響較小。天線由一個變形的倒L結構的驅動單極天線和兩根寄生的輻射單元構成。天線在B點處使用50Ω同軸線饋電。A點穿過介質基板與接地板相連。經過仿真優化后計算，變形倒L結構的貼片作為四分之一波長諧振結構激勵起工作于1 950 Mhz的基本諧振模式。變形倒L結構的輻射貼片與輻射單元通過縫隙G1耦合饋電。一根輻射單元激勵起工作于960 Mhz的諧振模式，另一根激勵起工作于760 Mhz的諧振模式，同時激勵起一個2550 Mhz高階諧振模。為了提高低頻段的阻抗帶寬，通過在接地板上插入一個寬度為2 mm的L型縫隙拓展低頻帶寬以達到LTE700/GSM900 MHz對于頻段的要求。L型縫隙的高為19 mm，長為47 mm，距離接地板右邊緣最近的距離為26.9 mm。利用Ansoft HFSS軟件對天線進行仿真和優化后天線結構的各個參數為：L = 40 mm， W = 15 mm， L1 = 36.7mm，L2 = 31.5 mm， L3 = 16.3 mm， L4 = 6.8 mm， L5 = 7 mm， L6 =12 mm， L7 = 7.9 mm， L8 = 5 mm， L9 = 10.2 mm， L10 = 6 mm，L11 = 8 mm，L12=7mm， L13=4.6mm，L14=10mm，L15=1.9mm，W1 = 1.5 mm， W2 = 0.5 mm， W3 = 0.5 mm， W4= 0.3 mm， W5 = 0.3 mm， W6 = 0.3 mm， G1 = 0.3mm。

2 天線制作與數據測試

通過Ansoft HFSS軟件對天線尺寸進行仿真和優化，再根據優化后得到的尺寸，對該天線進行實物加工和測試，天線的加工實物如圖2和圖3所示。并利用矢量網絡分析儀對天線實物進行測試。利用矢量網絡分析儀進行實測的回波損耗如圖4所示。通常我們使用-6 dB的回波損耗作為移動終端天線性能好壞的區分點。通過實測的結果和仿真的對比。可以看出在我們需要的頻帶內，回波損耗都在-6 dB以下。仿真和測試的結果整體基本吻合，在2.63 Ghz，天線實測數據明顯好于仿真數據，其主要原因是我們選用的低成本FR4板材的損耗角正切值是隨頻率增加而明顯增大的，其在高頻段其真實的損耗大于仿真過程預先設置的固定值。此外，還有一些重要的原因，比如天線尺寸的加工誤差、同軸連接器接頭的焊接精度及測量環境不穩定等客觀因素都會造成損耗的增大。盡管如此，天線的設計還是基本達到了我們的預期。

（a）頻率為760 MHz的E面方向圖

（b） 頻率為960 MHz的E面方向圖

（c） 頻率為1 960 MHz的E面方向圖

（d） 頻率為2 550 MHz的E面方向圖

3 結 語

本文給出了制作一款應用于平板電腦上的4G-LTE天線的具體方法，該天線在工作頻段700～960 MHz和1710MHz～2 700 MHz，能滿足4G～LTE和現有通信頻率對天線的要求。而且天線價格便宜，結構簡單、易于加工制作和集成，應用前景非常廣泛。

參 考 文 獻

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