一種小型化移動終端全網通天線

官伯然 張勝杰

(杭州電子科技大學天線與微波技術研究所,杭州 310018)

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一種小型化移動終端全網通天線

官伯然 張勝杰

(杭州電子科技大學天線與微波技術研究所,杭州 310018)

提出一款適用于移動終端設備的小型化全網通天線,天線由參考地和平面天線構成,采用同軸饋電.該天線的高頻通帶響應通過高頻單元基模與低頻單元分支的高次模實現,天線的低頻通帶響應通過低頻單元基模實現,并采用展寬低頻單元枝節的方法實現所需低頻通帶帶寬.天線總尺寸為30 mm×67 mm,其中輻射單元為33 mm×30 mm,參考地大小為34 mm×30 mm.使用微波仿真軟件HFSS對天線的尺寸進行了設計優化,并對回波損耗、天線表面電流和天線的輻射方向圖進行研究.天線樣品的實測-6 dB阻抗帶寬為820～968 MHz,1 695 ～3 020 MHz,覆蓋了工信部所頒布的國內移動通信運營商所用的2G、3G、4G網絡的全部頻段.天線結構簡單、覆蓋頻率廣、體積小,具有一定的工程應用價值.

移動終端;全網通;天線;阻抗帶寬

DOI 10.13443/j.cjors.2015080401

引 言

隨著移動通信技術的快速發展,同時兼容國內三大運營商網絡的全網通手機和其它應用設備成為移動通信應用研發的熱點之一. 2013年12月,國家工信部頒布了國內手機4G運營牌照,三大運營商的4G頻段劃分為TD-LTE band38/39/40/41以及FDD-LTE band3,因此全網通手機需要覆蓋包括GSM850/900,GSM1800/1900,CDMA800,CDMA2000,WCDMA850/900/1900/2100,TD-SCDMA 900/1900/2000,TD-LTE1900,TD-LTE 2300,TD-LTE2570～2620/2555～2655,FDD-LTE 1800/2100在內的所有頻段.天線作為移動終端的信號收發器件,隨著頻段的不斷增加,其設計要求不斷提高,并得到國內外學者廣泛研究.為減小天線尺寸, 增大天線的帶寬,提高天線輻射性能,小型化、多頻帶、超寬帶、可重構[1-6]等技術得到越來越廣泛的應用.環天線、耦合饋電形式天線、多分支結構天線、縫隙天線和平面倒F天線[7-12]等天線形式在手持移動終端中被廣泛采用.此外,一些其他結構形式的天線也被用于移動終端天線設計中.文獻[13]通過在兩個背靠背的G行單極子基礎上應用T型地枝和雙倒L型地枝結構,設計了一種用于手機終端的雙天線系統.文獻[14]利用彎折單極子、寄生地支和耦合分支激勵設計了一種用于手持移動終端的九頻段平面印制天線.文獻[15]通過激發雙環諧振單元的基模和多模諧振,并通過加載電容設計了一種移動終端多模MIMO天線,該天線可以覆蓋830～900 MHz,1 700～2 200 MHz,2 400～2 700 MHz頻段.

以上設計大多有足夠的帶寬,充分考慮了天線尺寸對手機性能的影響,并保證了天線具有一定的增益和輻射方向性.但是以上天線大多依賴手機外殼尺寸設計,體積較大,結構復雜,不適用于小型化、輕便化的移動設備.因此,適用于更加小型化移動設備的全網通天線成為研究的重要方向,而這類天線在文獻中尚未見報導.基于以上分析,本文設計了一款小型化移動終端全網通天線,通過加載多枝節的折疊單極子,并利用單極子的基模和高次模展寬天線帶寬以實現所需的全網頻率覆蓋.所設計的天線結構簡單、饋電方便,不僅有多頻段工作的特點,還具有適當的輻射性能,能夠很好地適用于便攜式、小型化無線移動通信系統中.

1 天線結構與設計

1.1 天線結構

天線基本結構如圖1所示,具體尺寸如表1所示,深色部分表示金屬銅箔.天線由參考地、饋電端口、輻射貼片三部分組成.平面單極子天線的饋電方式主要有微帶饋電,同軸饋電,共面波導饋電,此外還有少量的電磁耦合饋電等[7-8, 11-12, 16],選擇合適的饋電方式,對天線的性能有很大的影響.本文天線采用50 Ω的同軸線饋電,饋線的外導體焊接在參考地板上,中心導體與印制在介質板正面的饋電端口相連.這種結構有利于減小插入損耗和實現寬帶響應.饋電端口為圖1中標注的A點,饋電端口的寬度為2 mm.

圖1 天線的尺寸與結構示意圖

參數尺寸參數尺寸參數尺寸L67L316g128W30L410g21Lg33L57g325W113L66g43L113L78g53L225L828g61H175H213H39

天線印制在板厚為1 mm的FR-4介質板上,基板的介電常數為4.2,表面附銅為0.035 mm,整個天線的大小為30 mm×67 mm,其中參考地的大小為33 mm×30 mm,輻射貼片的總面積為34×30 mm2.天線采用多枝節的折疊單極子構成.為方便說明,各枝節按照字母標注,如圖1所示.枝節A-A′工作中心頻率為2 100 MHz,枝節A-B-B′工作中心頻率為1 700 MHz,枝節A-D-F的基模工作于900 MHz,其二次模中心頻率位于2 000 MHz,三次模中心頻率位于2 600 MHz.為補償天線的低頻通帶帶寬,對枝節A-D-F的微帶線采用漸變結構,同時增加枝節A-D-E-E′,以增強天線在低頻通帶的輻射強度,實現對低頻通帶GSM800/850頻段的覆蓋.

1.2 設計過程

根據單極子天線的輻射理論,首先以900 MHz中心頻率設置單極子天線的尺寸, 記為天線#1.為充分減小天線尺寸,展寬天線帶寬,天線采用蛇形漸變折疊線形式A-D-F和A-D-D′.通過仿真900 MHz單極子天線的特性可知,天線在900 MHz附近的輻射性能較差,在2 000 MHz,2 600 MHz,3 200 MHz處出現諧振.

對天線進行表面電流分析,并在天線饋電端口處引入第二根枝節A-A′,記為天線#2.本設計中,枝節A-A′的長度對天線輻射的影響至關重要.為了使天線能夠覆蓋全網通824～960 MHz,1 710～2 655 MHz的頻段,需要對天線結構中影響工作頻段的關鍵參數進行分析優化.天線#1的結構中,天線除激發基模外還存在高次模,為了展寬天線在高頻通帶的帶寬,枝節A-A′需要使天線在除去2 000 MHz,2 600 MHz,3 200 MHz以外的諧振頻率上產生諧振.為確定枝節A-A′的大致長度,對枝節A-A′的長度進行參數掃描分析,掃描分析結果如圖2所示.

圖2 枝節A-A′參數掃描分析

由圖2可知,枝節的長度為3 mm和7 mm時,在1 700～3 500 MHz范圍內,天線在2 300 MHz附近諧振較弱,當枝節長度增加到11 mm時,天線在整個1 800～3 500 MHz范圍內,匹配情況得到改善,S11均在-6 dB以下.這是因為枝節A-A′處于天線#1的波腹位置,對天線#1的諧振沒有太大影響,隨著枝節長度的變化,枝節A-A′在2 300 MHz附近產生諧振,并且諧振強度隨著枝節A-A′尺寸的變化逐漸增強.該諧振點正好處于天線#1的高次模諧振點2 000 MHz和2 600 MHz之間,通過諧振點的共同作用,實現該通帶內的三諧振模式,拓寬了天線高頻通帶的帶寬.

其后,對天線#2進行輻射特性和表面電流分析,并引入折線枝節A-B-B′,記為天線#3.為了進一步縮小天線所占用的空間,將枝節進行彎折.通過調節彎折枝節的長度,使該枝節諧振的中心頻率位于1 700 MHz,增強了天線在1 700 MHz附近的輻射強度.自此天線的輻射特性除低頻通帶900 MHz帶寬偏窄以外,其他通帶的頻率響應基本滿足全網通頻帶的設計要求.為展寬天線低頻通帶的帶寬,增加枝節A-D-E-E′,記為天線#4.通過仿真數據可以看出,該枝節的引入使天線在低頻通帶850 MHz處產生諧振,并與900 MHz的諧振點形成雙諧振,展寬了天線低頻通帶的帶寬.為了進一步對天線帶寬進行微調,引入枝節A-C-C′,記為天線#5.通過調節該枝節的長度,來調節枝節A-D-F和枝節A-D-E-E′的阻抗,從而改變天線低頻通帶的輻射特性.天線設計過程中各天線的S11對比圖如圖3所示.綜合以上分析,使用微波仿真軟件HFSS對天線各枝節的長度進行調諧優化,最終的仿真數據表明,在回波損耗小于-6 dB下,天線的帶寬為820～965 MHz,1 700～3 850 MHz,滿足了移動網絡全網頻率覆蓋,從而得到天線的最終設計方案.

圖3 天線設計過程中各個天線的S11對比

2 實驗結果及分析

根據圖1給出的天線尺寸制作的天線樣品如圖4所示.天線的輻射面和參考地面均在單面覆銅介質板上實現,這種結構使天線結構更加簡單,饋電更為方便,同時使天線更容易安裝與調試.圖5為該天線回波損耗的仿真和測試結果對比圖.

圖4 天線實物圖

圖5 天線S11實測與仿真結果對比圖

由于刻板機的精度、加工工藝、同軸饋電端口處能量損失以及FR-4基板的介電常數隨頻率變化等不確定因素的影響,相對于仿真數據,天線的高頻通帶帶寬變窄,但總體而言,仿真與測試結果吻合較好.天線樣品的實測-6 dB阻抗帶寬為820～968 MHz,1 695～3 020 MHz,能夠覆蓋國內移動通信運營商網絡的所有頻段,滿足了設計要求.

為了進一步分析天線的輻射特性,分別對天線在900 MHz,1 800 MHz,2 300 MHz處的表面電流進行分析.圖6給出了天線在900 MHz,1 800 MHz,2 300 MHz的表面電流分布圖.由圖分析可知,在900 MHz處,天線的表面電流主要分布在枝節A-D-E-E′上.當頻率為1 800 MHz時,表面電流主要分布在枝節A-B-B′上,諧振模式主要通過枝節A-B-B′產生.頻率為2 300 MHz時,諧振模式主要通過枝節A-A′產生,由于枝節A-C-C′的長度與枝節A-A′的長度接近,枝節A-C-C′也有較大的電流強度.通過對天線表面電流的分析可知,表面電流分布與天線各枝節的輻射特性基本一致,天線總體輻射是以各對應輻射枝節為主輻射后綜合作用的結果.

圖6 輻射面的表面電流分布

圖7給出了天線在900 MHz,1 800 MHz,2 300 MHz處的遠場E面和H面輻射圖,由圖可知,900 MHz在xoz面(H面)輻射方向圖呈“8”字型雙向輻射特性,而在yoz面(E面)天線具有全向輻射性.由于枝節間電磁輻射的相互影響以及枝節的多模諧振,1 800 MHz天線在xoz(H面)和yoz面(E面)的輻射方向圖發生畸變,呈現出單向輻射性,2 300 MHz天線在H面和E面均呈現一定的全向輻射特性.

天線增益的仿真測試對比圖如圖8所示,低頻段820 ～968MHz內,由于天線參考地尺寸較小,天線增益相對單極子天線增益有所下降,高頻1 695～3 020 MHz內,天線實測增益約為2 dB,測試增益與仿真增益基本吻合.

圖7 天線輻射方向圖

3 結 論

設計了一款適用于國內移動運營商網絡的小型化移動終端全網通天線.天線樣品的實測-6 dB阻抗帶寬為820～968 MHz,1 695～3 020 MHz,能夠覆蓋國內三大運營商所用GSM/CDMA/WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/FDD-LTE/TDD-LTE網絡的全部頻段.分析研究了天線的回波損耗、表面電流以及輻射特性.實驗表明,本文天線具有適當的輻射特性,并具有體積小、饋電方便、結構簡單等優點,適用于小型化、便攜式移動終端設備,具有一定的工程應用價值.

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官伯然 (1955-),男,山東人,博士,杭州電子科技大學教授,博士生導師,主要研究方向為電磁場數值分析、超導電子技術、微波通信與天線等.

張勝杰 (1989-),男,河北人,杭州電子科技大學電子信息學院碩士研究生,主要研究領域為天線理論與設計.

A novel miniaturized full netcom antenna for mobile terminal

GUAN Boran ZHANG Shengjie

(Institute of Antenna and Microwave, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

In this paper, a novel miniaturized antenna for full Netcom mobile terminal devices is proposed. The antenna consists of reference ground plane and planar antenna, and is fed with coaxial cable. The high-frequency passband response of the antenna is achieved by the fundamental mode of the high-frequency unit and the higher order modes excited in the branch of low frequency unit. The low frequency passband response is accomplished by the low frequency unit with the broadening width to increase the low frequency bandwidth. The compact size of the antenna is 30 mm×67 mm, wherein the radiation unit is 33 mm×30 mm, and the reference ground size is 34 mm×30 mm. The structure and size of the antenna are analyzed and optimized with the HFSS software, meanwhile, the return loss, surface current and radiation pattern are also analyzed. The measured -6 dB impendence bandwidth of the antenna prototype is 820-968 MHz, 1 695-3 020 MHz. It covers the complete 2G, 3G, 4G network spectrum of domestic mobile operators issued by Ministry of Industry and Information Technology of China. The antenna is simple in structure, small in size and covers a wide frequency, and it has certain value in practical applications.

mobile terminal; full Netcom; antenna; impendence bandwidth

10.13443/j.cjors.2015080401

2015-08-04

浙江省教育廳科研項目(Y201327468)

TN821.1

A

1005-0388(2016)03-0562-06

官伯然, 張勝杰. 一種小型化移動終端全網通天線[J].電波科學學報,2016,31(3):562-567.

GUAN B R, ZHANG S J. A novel miniaturized full netcom antenna for mobile terminal[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):562-567. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015080401

聯系人： 張勝杰 E-mail: 842954174@qq.com