一款多頻段小型單極子天線的設計*

鐘小清,姚 斌,鄭勤紅(云南師范大學物理與電子信息學院,云南昆明650500)

一款多頻段小型單極子天線的設計*

鐘小清1,姚 斌2,鄭勤紅2
(云南師范大學物理與電子信息學院,云南昆明650500)

設計了一款多頻段小型寬帶單極子天線。采用Ansoft公司的HFSS13電磁仿真軟件,對天線進行了仿真及優化,天線尺寸為39mm×29mm×1.7mm,該天線在多個頻率點上諧振。仿真結果表明,該天線參數S11≦-10 dB,天線和饋線匹配的很好,覆蓋了LTE2300,LTE2500和WLAN的2.4/ 5.2/5.8 GHZ及WiMAX的2.5/5.5 GHz的工作頻段,適于目前的超薄智能手機。

多頻 小型 LTE 單極子天線

0 引 言

手持無線終端設備在人們日常生活中起著重要作用,隨著無線通信技術的發展[1],手機的日益普及,用戶的需求越來越苛刻。小型化、個性化、超薄、多頻、多功能等設計需求旺盛。作為收發前端的天線系統也正在朝著小型化、多頻段方向發展[2],所以在小天線的設計中,體積小、重量輕,能與載體共形,易于與有源器件和電路集成,便于實現多頻工作的微帶天線得到了廣泛的關注和應用。

平面單極子天線具有全向輻射和非色散特性,除此之外還具有低剖面、結構簡單、成本低廉等優勢。因此國內外學術界對此類天線進行了大量的研究。到目前為止,人們研究并發明了多種多頻寬帶天線,楊林等人提出了一種帶巴倫饋電的寬帶印刷偶極子天線,它可以覆蓋WLAN工作的每個頻段[3];Zhang Q Y等提出了一種帶有集成巴倫的貼片天線,覆蓋了WLAN系統中的三個頻段[4];徐娜等人提出了平面倒F型貼片天線,輻射片尾端折疊,在上層輻射片上開2個U型槽的方法實現三頻[5];Sapna Verma等人研究了多頻縫隙天線,通過縫隙天線與微帶饋線的不同組合來實現多頻特性[6],Xu Jing等人提出了一種低剖面并可多頻工作的平面單極子天線[7],李升輝等人研究了雙頻倒F天線的設計[8]。然而這些天線要么尺寸太大,不便于集成和共形;要么同軸線饋電制作不容易調整位置;要么有巴倫或加入電感元件,不方便制作;要么用高造價介質,成本不低;還有的能覆蓋的頻率段太少。

本文設計了一種小型化的多頻段單極子天線,采用微帶線饋電,天線厚度僅為1.7 mm,占用手機PCB板的凈空區僅為40 mm×29 mm,通過電磁耦合技術和附加諧振的方法,天線的覆蓋頻率得到了顯著的展寬,該天線所形成的兩個寬頻帶有效地覆蓋ISM/WLAN(5.2/5.8)/WiMAX(2.5/5.5GHZ)/ LTE2300/2500等工作頻段,完全可以滿足目前對于追求超薄智能手機的設計需求。

1 多頻天線理論與仿真優化

1.1 多頻寬帶天線理論

平面單極天線是微帶天線的一種,移動通信終端中常用的一種天線形式,具有良好的阻抗特性和輻射特性。平面單極天線的設計原理都是根據微帶理論得來的,微帶天線的多頻帶技術完全適用于平面單極子天線,經過查閱文獻資料,總結出可用四種方法來實現多頻帶天線。

采用單一輻射片,利用加載,開槽等方法來改變貼片本來的電流長度分布情況,實現幾種不同的波模式(如矩形輻射片的TM10,TM01模)。

采用多分支技術,利用多分支的結構產生多條電流路徑,電流路徑不同就會產生不同的諧振頻率。本文就是采用多分支結構,各支路都工作在不同的頻段上,形成多諧振,共用一個饋電點,每個支路都可以單獨調整。

采用分型的概念設計天線,分型具有空間填充屬性和自相似性,既實現天線的小型化,也可得到多頻特性。

多層重疊輻射結構,構成多個諧振器或者多貼片共面結構也能實現多頻特性。在單貼片的基礎上附加短路貼片,形成短路寄生單元,實現多頻。

影響內置平面單極子天線帶寬的因素有很多。增大介質基片厚度,降低介質相對介電常數和等效電路Q值,附加寄生貼片,修改饋電方法都可以實現寬頻特性。

1.2 天線結構及仿真優化

本文設計的多頻單極子天線結構如圖1所示,整個天線系統由三個部分構成。分別是天線單元,微帶線饋電和參考地,全部都印制在大小為40 mm× 40 mm×1.7 mm相對介電常數為4.4的FR4介質板上,地板尺寸為40 mm×11 mm。通過用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對所設計的天線進行優化,得到的最優參數如表1所示。

圖1 饋線和天線結構Fig.1 Structure of feed line and antenna

表1 天線的結構參數Table 1 Geometric parameters of the antenna

根據微帶天線理論,單極子天線的諧振長度大約是其工作波長的1/4左右。因此,要使微帶單極子天線工作于WLAN的2.4 GHz和5.2、5.8 GHz頻段,2.4 G的諧振電流長度應約為32 mm,5.49 G的約為13.8 mm。輻射單元主要由四個輻射枝節所構成。

天線由長度為L2,R2,D3,E1四個枝節組成,用微帶線饋電,饋線寬度S=3.5 mm,長為L=14 mm,諧振枝節的寬度均為W=2 mm,通過對4個枝節的調節可獲得WLAN和LTE等所覆蓋的頻率段。通過仿真可知L2主要影響5.8 G頻段,R2影響2.45 G頻段,D3對所有諧振點都有影響,通過調節D3的參數可以達到微調的目的。

2 仿真結果與分析

由高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對所設計的天線進行仿真,得到的回波損耗如圖2所示,從圖中的曲線可以看出,天線在多個頻點出現諧振, S11小于等于-10 dB的阻抗帶寬在2.45 G的頻段為700 M(2 200 M～2 900 M),覆蓋了LTE2300, LTE2500,BT/WiFi,WiMAX2.5GHz,4.4G的頻段是150 M(4 350 M～4 500 M),在高頻段5.8G有較大的阻抗帶寬是2 450 M(5 150 M～7 600 M),能同時滿足WLAN(5.2/5.8GHz),WiMAX5.5G等頻段,展示了很好的寬頻特性。本文天線在多個頻率點產生諧振,天線饋線的阻抗為50歐,圖2中的S11參數均小于等于-10 dB,說明該天線阻抗與微帶饋線匹配得很好,完全滿足無線通訊要求。

圖2 天線的回波損耗S11Fig.2 Simulated return loss of the antenna

圖3 R2取不同值對天線回波損耗的影響Fig.3 Effects of R2 in different values on the proposed antenna's return loss

圖4 L2取不同值對天線回波損耗的影響Fig.4 Effects of L2 in different values on the proposed antenna's return loss

圖5 D3取不同值對天線回波損耗的影響Fig.5 Effects of D3 in different values on the proposed antenna's return loss

圖3 至圖5分別反映的是各參數的變化對天線回波損耗的影響,對比分析可看出,在其他天線參數確定后,隨天線枝節X軸方向長度即L2的增加, 2.49 GHz處諧振點向左上方移動,對其他諧振點則影響不大;當其他參數確定而改變R2的長度時,隨著R2的增大,4.5 GHz處的諧振點迅速降低,影響最大的是高頻段即5.8 GHz處的諧振點,出現了向左移的趨勢,并且當L2等于5 mm時,諧振點降得很低,達到了-38 dB,從而出現很寬的頻帶;諧振枝節D3對各個諧振點都有輕微的影響,D3增大時, 2.45 GHz和4.5 GHz的諧振點均向左上方移動,大于9 mm時則主要向上移動,高頻諧振點5.8 GHz則是隨著D3得增大而向下移動,因為D3枝節與L2枝節末端相對,離得太近會發生靜電感應現象,會枝節影響高頻段,通過對D3的調節可以達到微調的目的。

以上分析表明,通過多分支結構可以實現天線的多頻特性。適當長度的枝節可控制不同的頻段,影響其S11參數。當諧振長度約為工作波長的1/4時會發生諧振,隨著枝節長度的增加,諧振點都會向低頻方向移動,而枝節變短,諧振頻率則升高。

增益方向圖和三維增益圖都表明,本文所設計的單極子天線在高頻段5.8 GHz的E面天線全向性比較弱,H面方向圖則表現出更好的全向性,在低頻段E面和H面的各個頻點全向性都是相當好,能滿足無線通信的需要。天線單元在低頻2.45 GHz和高頻5.8 GHz兩個波段內的增益都在2～3 dBi,能滿足目前常用的無線局域網標準802.11a、802.11b和802.11g的相關要求,同時也能達到通信應用的功率需求。

圖6 天線的三維增益Fig.6 3D radiation pattern of the antenna

圖7 XOZ和YOZ截面上的增益方向Fig.7 Measured radiation patterns of the proposed antenna

3 結 論

本文分析了多頻天線的實現方法,并就其中采用多分支結構實現多頻進行了天線的仿真和分析,天線單元采用微帶線饋電,尺寸小,結構簡單,非常易于集成,為小型化寬頻帶天線的研究提供了很好的基礎。仿真結果表明,天線的阻抗和輻射特性在WLAN應用的三個頻段(2.4 GHz,5.2 GHz, 5.8 GHz)和WiMAX(2.5和5.5 GHz)還有LTE2300和LTE2500都達到工作要求。S11小于等于-10 dB的阻抗帶寬在2.45G頻段有700 M(2 200 M～2 900 M),4.4G頻段有150 M(4 350 M～4 500 M),在高頻段有2 450 M(5 150 M～7 600 M),能夠完全滿足無線電通訊手機天線的工作指標,該天線具有很重要的實用價值,非常適合超薄移動通訊終端。具有非常廣的應用前景。

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ZHONG Xiao-qing(1989-),female,M. Sci.,mainly engaged in simulation and optimization of antenna.

鄭勤紅(1962—),男,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為光電子學、光波導理論、電磁理論;

ZHENG Qin-hong,(1962-),male,Ph.D.,professor, doctoral tutor,mainly engaged in optical-electronics,optical wave-guide theory,electromagnetic theory.

姚 斌(1980—),男,博士、副教授、碩士生導師,主要研究方向為電磁場數值計算和微波器件的優化設計。

YAO Bin,(1980-),male,Ph.D.,associate professor, master tutor,mainly engaged in electromagnetic field numerical calculation and optimization design ofmicrowave device.

A Com pact M ulti-band Planar M onopole Antenna

ZHONG Xiao-qing1,YAO Bin2,ZHENG Qin-hong2
(School of Physics and Electronic Information,Yunnan Normal University,Kunming Yunnan 650500,China)

A compactmulti-broadband planarmonopole antenna is proposed and designed.The antenna is simulated and optimized with electromagnetic simulation software HFSS13.0(High Frequency Structure Simulator).The antenna is 39mm×29mm×1.7mm in size and resonates atmutiple frequencies.Simulation results show thatwith parameter S11≦-10 dB,the proposed antenna could match well with its feed-line and covermany useful operation frequency bands,including LTE2300,ISM,LTE2500,WLAN,WiMAX, thus is fairly suitable for the present ultra-thin smart phones.

multi-band;compact;LTE;monopole antenna

National International Cooperation in Science and Technology Special Project(No.2012DFA70570);Key Project of National Natural Science Funds(No.50734007)

date：2014-11-21;Revised date：2015-01-07

國家國際科技合作專項項目(No.2012DFA70570);國家自然科學基金重點項目(No.50734007)

O441.4

A

1002-0802(2015)02-0237-05

鐘小清(1989—),女,碩士,主要研究方向為天線的仿真優化;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.025

2014-11-21;

2015-01-07