手機雙帶平面天線的研究與實現

趙　迎，王　琪，金　晨，房柳君

(南京工程學院 通信工程學院，江蘇 南京 211167)

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手機雙帶平面天線的研究與實現

趙迎，王琪，金晨，房柳君

(南京工程學院 通信工程學院，江蘇 南京 211167)

摘要設計研究了一款平面結構的雙頻帶手機天線，工作頻率范圍為880~960 MHz和1 710~2 690 MHz，研究目標是天線能夠覆蓋GSM、3G和4G移動通信，采用HFSS進行了仿真研究和優化設計。制作了實驗模型，并對其駐波特性和方向圖特性進行實測，理論與實驗比較取得較好一致性，表明天線具有一定的工程應用價值。

關鍵詞平面天線；雙頻帶；駐波比；方向圖

Research and Implementation of Dual-band Planar Antenna for Mobile Phone

ZHAO Ying,WANG Qi,JIN Chen,FANG Liu-Jun

(SchoolofCommunicationEngineering,NanjingInstituteofTechnology,NanjingJiangsu211167,China)

AbstractA dual-band antenna with a planar structure for mobile phone is designed and studied.The operating frequency ranges from 880 MHz to 960 MHz and from 1 710 MHz to 2 690 MHz.The purpose of research is that the antenna can cover the GSM,3G and 4G mobile communication.The simulation research and optimization design are implemented by using high frequency structure simulator(HFSS).The experimental model is constructed to measure its voltage standing-wave ratio and the radiation pattern.The comparison shows that theoretical and experimental results are in good agreement,and the designed antenna has a certain engineering application value.

Key wordssplanar antenna;dual band;voltage standing wave ratio;pattern

0引言

隨著手機行業的發展，對于網絡速度提出了越來越高的要求，衍生出3G和4G技術。國內運營商的3G和4G頻段如下[1]：中國移動頻段為1 880～2 025 MHz(3G)和1 880～2 635 MHz(4G)；中國聯通頻段為1 940～2 145 MHz(3G)和2 300～2 575 MHz(4G)；中國電信頻段為825～880 MHz(3G)和2 370～2 655 MHz(4G)。新一代移動通信的特點是頻率高、頻帶寬，要求與2G無線通信兼容，還要求尺寸輕薄、樣式美觀。為了適應現代無線通信終端的要求，需要設計出與手機要求相適應的天線。近年來國內外手機天線有多種不同的設計：采用耦合方式的天線[2,3]、使用MIMO技術的天線[4]、使用共頂點嵌套的三角形環做輻射面的多頻天線[5]、使用彎折結構和開縫手段形成多頻的小型天線[6]、使用分形自相似性的微型天線[7]和使用平面結構定向輻射天線[8]等，以適應各種不同的具體應用。本文研究并實現了一款雙頻帶天線，結構簡單、平面設計，采用基于有限元法方法的HFSS[9]進行仿真研究，并通過制作天線模型進行測試，使天線能同時有效工作于GSM、3G和4G頻率范圍。

1天線模型的構成

天線結構如圖1所示，圖1(a)為平板天線的正面結構，圖1(b)為背面結構。天線的基本結構采用單極子形式，為了展寬天線的帶寬，采用三角漸變的振子，由α角和高度h來表征。通過外加彎折枝節以形成新的諧振點，枝節長度由W2+L2+W1+L1確定，其他尺寸標注在圖中，背面中黑色部分構成金屬接地面。

作為初始的仿真參數，取W=60 mm，L=120 mm，W0=36 mm，L0=15.5 mm，WP=1.5 mm，L3=109.5 mm，W2=12.5 mm，B2=2 mm，L2=9.5 mm，W1=30 mm，L1=10.15 mm，B1=1 mm，α=41.65o，h=9 mm，介質板厚度H=1.5mm，介電常數εr=4.4。

圖1　天線結構

2天線回波損耗特性研究

下面通過改變不同的參數來觀察天線各個部分尺寸變化帶來的影響。

首先比較天線幾何尺寸為初始仿真參數情況下，不添加彎折枝節和添加彎折枝節對天線回波損耗的影響。由圖2可見，枝節的引入形成了新的諧振點。由于枝節總長度大于三角振子高度，這個新的諧振點處在原諧振點的低頻端，可用于形成在GSM工作的頻段。

圖2　回波損耗與有無枝節的關系

通過改變枝節長度可以觀察S11的變化情況。當其他尺寸不變，L1分別取9.15 mm、10.15 mm和11.15 mm時，其回波損耗與頻率的關系曲線如圖3所示。圖3表明，隨著L1變大，低頻端的諧振點逐漸左移，因此可通過調節L1來實現低頻端諧振頻率的精確調整。L1的變化對高頻端諧振點的影響規律性不夠明確，不作為設計高頻端工作頻率的主要依據。

圖3　回波損耗與L1的變化關系

在其他尺寸不變情況下改變α角的大小，回波損耗的頻變曲線如圖4所示。圖4表明，角度的變化對低頻端和高頻端諧振頻點都有一定影響。隨著α的增大，諧振點有一定左移。考察高頻端，當角度α增大到一定值后，由于阻抗匹配變差，諧振點消失。

圖4　回波損耗與α的變化關系

改變枝節入口處寬度B2大小，回波損耗的頻變關系如圖5所示。圖5表明，隨著B2的增大，對低頻部分幾乎不產生影響，而高頻部分呈現顯著的變化，諧振頻率以較大幅度向右移動，表明改變B2大小是實現天線高頻諧振點設計的有效方法。

圖5　回波損耗與B2的變化關系

一般饋源阻抗都是50 Ω，因此饋電的微帶線寬度WP理論計算值應為2.8 mm。作為比較，分別選取WP為1.5 mm、2.5 mm和2.8 mm，計算結果如圖6所示。圖6表明，當WP=2.8 mm時，在頻率2.1 GHz處達到理想匹配；WP=2.5 mm時，在頻率1.88 GHz處達到理想匹配，但該寬度對低頻端諧振點也產生了影響，因此需要綜合設計。

圖6　回波損耗與的Wp變化關系

通過上面的數值分析，理清了天線各個幾何尺寸變化對阻抗特性的影響，根據天線設計的要求，可借助HFSS進行全面優化，其最終設計尺寸為W=60 mm，L=120 mm，W0=36 mm，L0=15.5 mm，WP=1.5 mm，L3=109.5 mm，W2=12.5 mm，B2=2 mm，L2=9.5 mm，W1=30 mm，L1=10.15 mm，B1=1 mm，α=41.65°，h=9 mm，H=1.5 mm。

天線實驗模型采用雙面覆銅介質板，用腐蝕工藝配合手工處理制作而成，如圖7所示。天線駐波比通過PNA3621網絡分析儀進行測量，為了便于分析，將測量數據與仿真數據一起繪制于圖8中進行比較。由圖8可以看出，2根曲線基本吻合，表明仿真計算的正確性。天線工作頻率基本能覆蓋GSM、3G和4G范圍，這表明天線具有一定的工程應用性。

圖7　天線實物

圖8　仿真與測試結果

3天線方向圖特性研究

本文主要計算了頻率為2.4 GHz并經過歸一化處理后的增益方向圖，如圖9中實線所示。圖9表明，在yoz平面內，最大輻射主要分布在θ=0°和θ=180°的方向，而在θ=90°方向相對微弱(θ是在yoz面內與y軸的夾角)。xoz平面的歸一化方向圖同樣揭示了天線的方向性。對于方向圖的測試，通過將天線連接到無線路由器，再利用筆記本電腦接收信號來定性描述，如圖9中的實心點所示。與仿真數據比較可見，大部分實驗數值點在仿真曲線附近，實驗測量和仿真結果較為一致。

圖9　增益方向圖

4結束語

現代手機天線都朝著小型化、平面結構、雙頻帶或多頻帶方向發展，采用仿真技術與實驗相結合的方法是實現天線設計的最佳途徑。本文所設計的天線具有結構簡單、雙頻帶工作、頻帶寬和低成本等系列特點，能夠同時覆蓋移動通信的多個頻段，與實驗比較具有較好的一致性。文中所采用的仿真技術較好地實現了天線的優化設計，并通過比較研究掌握了天線的特點。研究結果對工程應用具有一定的指導價值。

參考文獻

[1]STEWART J,SHEN X,WANG C W,et al.From 3G to 4G:Standards and the Development of Mobile Broadband in China[J].Technology Analysis &Amp;Strategic Management,2011,23(7):773-788.

[2]ZHAO G H,WANG A G,LENG W,et al.Wideband Internal Antenna with Coupled Feeding for 4G Moblie Phone[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(3):513-516.

[3]CHOI S,JEONG G T,KIM W,et al.Design of a Compact Hexa-band Coupling Antenna for 4G Moblie Handset Using a Small Element with Two Slots[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(8):1 708-1 711.

[4]HAN M,CHOI J.Dual-band Mimo Antenna Using Polarization Diversity for 4G Mobile Handset Application[J].Microwave and Optical Technology Letters,2011,53(9):2 075-2 079.

[5]林澍,蔡潤南,黃冠龍,等.三角形嵌套多頻單極印刷天線的仿真與實驗[J].微波學報,2011,27(3):38-42.

[6]周彬,逯貴禎,楊旗.平面三頻單極子手機天線設計[J].微波學報,2010,26(S2):219-222.

[7]劉英,龔書喜,傅德民.用于多頻通信的微帶分形貼片天線[J].微波學報,2001(4):76-79.

[8]金晨,王琪,趙迎.平板WIFI定向天線的研究[J].無線電通信技術,2015,41(2):45-46.

[9]李明洋,劉敏,楊放.HFSS天線設計[M].北京:電子工業出版社,2011.

趙迎男，(1994—)，本科。主要研究方向：天線技術。

王琪男，(1956—)，教授。主要研究方向：天線技術。

作者簡介

基金項目：江蘇省實踐創新訓練計劃項目(201411276018Z)。

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號TN823

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0058-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.16

引用格式：趙迎,王琪,金晨,等.手機雙帶平面天線的研究與實現[J].無線電工程,2016,46(3):58-61.