一種共面結構的4G手機天線研究

孫建忠 裘國華

（中國計量學院信息工程學院，浙江 杭州 310018）

隨著新一代移動通信的快速發展，以及LTE標準的興起，移動通信系統正向著4G時代穩步邁進。TD-LTE是我國自主創新的4G技術，與歐洲主導的FDD-LTE技術一起被國際電信聯盟確立為兩大國際4G標準.我國已將2500-2690MHz共190MHz的頻譜資源全部劃分給TD-LTE， 英國等部分運營商使用2.6GHz和3.5/3.6 GHz頻段布署LTE網絡，美國、加拿大、澳大利亞、智利等國家已批準700MHz頻段用于LTE，我國也已將700MHz和3.5GHz頻段列入未來規劃。如此多的頻段，使得傳統的手機天線已經不能滿足4G無線通信需求.如今，多頻、寬頻帶和低剖面已經成為4G手機天線設計的熱點。 近期，學者們已經提出了各種寬帶手機天線，例如PIFA天線[1-2]，印刷環形天線[3]，印刷單極子天線[4-7]，縫隙天線[8]，可重構天線[9-10]。

本文提出一種適用于4G手機的平面天線。 該天線采用接地板共面結構，能夠節約空間，易于實現手機的小型化，通過多枝節連接地板結構來擴展帶寬，從而實現寬頻特性，利用接地枝節耦合，形成分布式電感，調節阻抗匹配，改善低頻和高頻段的性能.通過對天線結構進行仿真設計，獲得天線最終優化結構參數，并完成加工與測試。 研究表明， 該天線可以產生 0.75GHz、2.6GHz 和 3.5GHz 三個諧振頻率點，工作頻段為 0.69GHz～0.82GHz 和 2.49GHz～4.06GHz， 很好地覆蓋了4G無線通信的主要頻段，可以滿足4G手機的工作需求。

1 天線設計

1.1 天線結構設計

本文提出的接地板共面結構的4G手機天線結構如圖1所示。采用介電常數為4.4的FR4介質材料作基體，大小為120mm×60mm，厚度為1.6mm，A點為饋電點，B點為短路點。 與饋電點相連的是一個由矩形減去一個小矩形而成的輻射振子，與短路點相連的是一段迂回枝節，迂回枝節的右側由三段枝節與接地板相連.接地板的左上角設有接地迂回枝節，形成分布電感，用于調節阻抗匹配。

1.2 天線結構優化

圖2為天線分別在左側無接地枝節（形狀1）、只有一段接地枝節（形狀2）和帶有接地迂回枝節（形狀3）時的仿真曲線圖，由圖可知，當天線沒有接地枝節時，低頻段的諧振頻率點約為1.13GHz，中頻段有多個諧振點，6dB 阻抗帶寬為 2.49GHz～3.38GHz.當天線只有一段接地枝節時，低頻段的諧振點為0.77GHz，該諧振點處的回波損耗為-10.4dB，中頻段的諧振點為 2.61GHz，高頻段的諧振點為 3.62GHz，6dB阻抗帶寬為 2.51GHz～4.07GHz。 當天線帶有接地迂回枝節時，低頻段的諧振點為0.75GHz，該諧振點處的回波損耗為-14.2dB，中頻段的諧振點為2.60GHz，高頻段的諧振點為 3.49GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋2.49GHz～4.06GHz.接地迂回枝節的長度 L2對天線性能的影響如圖 3所示。 由圖可知， 當 L2的長度依次為 12.5mm、13.5mm、14.5mm 時，高頻段的諧振點依次為 3.52GHz、3.49GHz、3.41GHz，而低頻段和中頻段的變化不明顯。 對比可知，接地迂回枝節能夠很好地調節阻抗匹配，改善低頻和高頻段的性能，使天線滿足4G無線通信需求。

右側接地枝節對天線性能的影響如圖4所示。 圖4（a）可見，當天線右側沒有接地枝節或只有上端接地枝節時（形狀4和形狀5），6dB阻抗帶寬都比較窄，低頻段和中頻段的諧振點都不處于4G無線通信頻段。當天線右側只有中間接地枝節時（形狀6），低頻段諧振點為0.72GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋0.67GHz～0.78GHz，中頻段和高頻段的諧振點分別為 2.59GHz 和 3.37GHz，6dB 阻抗帶寬能夠覆 2.49GHz～3.94GHz.當天線右側只有下端接地枝節時（形狀7），低頻段諧振點為0.73GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋0.68GHz～0.82GHz，中頻段和高頻段的諧振點分別為 2.75GHz 和 3.58GHz，6dB 阻抗帶寬 能 夠 覆蓋 2.47GHz～3.97GHz.圖4（b）表明當天線右側有兩段接地枝節時（形狀8、形狀9、形狀10），低頻段諧振點均在0.75GHz附近，6dB阻抗帶寬均為100MHz左右，中頻段諧振點均在2.6GHz附近，高頻段諧振點均在3.4GHz附近，6dB阻抗帶寬均能基本覆蓋4G無線通信主要頻段.研究結果表明天線右側的接地枝節可以較好地改善阻抗匹配，擴展帶寬，使天線滿足4G無線通信需求.天線經優化后，最終確定的尺寸參數為：L=99mm,L1=5.5mm,L2=13.5mm,L3=15mm,L4=11mm,L5=38mm,L6=17mm,L7=12mm,L8=6mm,L9=13mm,L10=9mm,L11=11mm,L12=46mm,L13=5mm,W=60mm,W1=3mm,W2=11mm,W3=5mm,W4=6mm。

2 天線制作與測試結果分析

本文加工制作的接地板共面結構的4G手機天線如圖5所示。利用微波網絡分析儀R3765CH對所加工天線進行測試分析，結果如圖6所示.仿真軟件得到天線在低頻段諧振于0.75GHz，工作頻段為0.69GHz～0.82GHz，中頻段和高頻段分別諧振于 2.60GHz 和 3.49GHz，工作頻段為 2.49GHz～4.06GHz。 實際測試結果為：天線在低頻段諧振于 0.778GHz，工作頻段為 0.724GHz～0.844GHz，中頻段和高頻段分別諧振于 2.528GHz 和 3.501GHz， 工作頻段為 2.328GHz～3.620GHz 頻段。 測試與仿真結果存在細微差異，主要是由于SMA接頭存在損耗，和實際測試環境中存在一定的電磁干擾所致。

圖7 所示為 0.75GHz、2.6GHz、3.5GHz 處的天線測試的 E 面和 H面場圖。 由圖可知，天線的增益分別為 2.7dBi、4.9dBi和 5.3dBi，同時也表明天線具有較好的全向性。

本文提出一種適用于4G無線通信的共面結構的平面天線，并對其進行了仿真與加工測試。研究結果表明該天線的第一個中心頻率為 0.75GHz，頻帶寬度為 130MHz（0.69GHz～0.82GHz），天線增益為 2.7dBi； 第二個和第三個中心頻率分別為 2.6GHz和 3.5GHz，頻帶寬度為 1570 MHz （2.49GHz～4.06GHz）， 天線增益分別為 4.9dBi和5.3dBi。該天線能很好地滿足4G無線通信頻段標準，在4G無線通信中具有廣闊的應用前景。S

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