一種多頻段4G手機天線的優化設計

陳應輝 曾文波

摘 要：基于單極子手機天線的原理，利用HFSS高頻仿真軟件優化設計了一款應用于4G手機的多頻單極子平面天線.該天線由一個輻射臂和兩個耦合枝節組成，通過U型與L型的折彎耦合枝節獲得多頻特性.在 857 MHz～ 992 MHz和1 626 MHz ～3 000 MHz頻率范圍內，所設計天線的回波損耗小于 -6 dB并具有良好的方向圖特性，能滿足移動終端在多個4G頻段的應用要求.此外，還對天線進行了參數分析，得到了影響天線阻抗特性的敏感尺寸參數，對該類天線的設計具有一定的指導意義.

關鍵詞：手機天線；多頻；平面天線；HFSS

中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A

0 引言

隨著移動通信技術的快速發展，手機變得越來越精巧，而天線作為其終端設備，也有了新的挑戰與要求.但當實現天線的小尺寸化的同時，會降低天線的輻射效率，因此設計一款緊湊的手機天線時，要綜合考慮帶寬與尺寸的關系，在滿足帶寬要求下如何實現小型化是終端天線的難點.對于手機內置天線，文獻[1]介紹了一款小尺寸三頻段 PIFA 手機天線，通過折彎天線實現小型化，為本設計提供了思路.文獻[2]介紹了一款五頻段的手機天線，這款天線結構簡單，通過增加寄生貼片與主天線產生耦合激勵出高頻段，達到小型化和激勵出高頻段的目的.文獻[3]介紹了一款小型化六頻段的手機天線，其特點是減少饋電與地板的接觸面積來提高低頻斷的帶寬，通過開槽技術諧振出 GSM 900 的 2G 頻段，實現了天線的小型化.文獻[4]介紹了傳統微帶天線的設計方法，等等.但前人的設計，并不能完全滿足手機天線的小型化與能在多頻段工作的要求，本文將提出一種緊湊型多頻段內置手機天線.

本文設計了一款覆蓋七頻段的內置 4G 手機天線，覆蓋的通訊頻段分別為： GSM 900（880 MHz ～960 MHz），DCS 1800（1 710 MHz～1 880 MHz），PCS 1900（1 850 MHz～1 990 MHz），UMTS 2100（1 920 MHz ～2 170 MHz），LET 2300（2 305 MHz ～2 400 MHz），WLAN / WIFI / Blue tooth（2 400 MHz ～2 484 MHz），LET 2500（2 500 MHz ～2 690 MHz）.每個頻段帶寬與回撥損耗都達到手機天線的要求，即VSWR ≤3，S11 ≤-6 dB且每個波段的增益都大于2 dB，輻射方向圖較好.

1 單極子手機天線的基本原理

單極子天線又稱直立天線，是垂直于地面或者導電平面架構的天線.單極子天線具有理想偶極子的優良特性，如：帶寬寬，輻射性能穩定等特點，所以現今成為手機天線的主流選擇[5].單極子天線是通過電磁場理論的鏡像原理，把無限大的地面當成天線的另外一臂，等效成理想的偶極子，再通過理想偶極子的理論來推導出單極子天線的輻射場，遠場方向圖函數等.單極子天線的結構圖和等效圖如圖1、圖2所示.

無限大的地面上，單極子天線產生的輻射場為：

其中，r——場點到源點的距離，β——相位常數，Im——最大饋電電流.

2 天線的結構與設計

基于單極子手機天線的理論，提出一種多頻段的 4G 手機天線結構，為模仿手機結構，該天線介質板的材料為環氧樹脂（FR4）材料，相對介電常數 εr =4.4，正切介質損耗角tan δ = 0.024，環氧樹脂（FR4）介質板的尺寸為 60 mm × 120 mm × 0.8 mm.經過折彎技術，實現天線的小型化，天線貼片尺寸為 34 mm × 19 mm × 6.5 mm，采用金屬銅材料，天線由耦合枝節與折彎枝節組成.饋電方式選擇SMA耦合同軸饋電[6].天線的結構如圖3、圖4所示.

利用 HFSS 仿真軟件對天線進行仿真設計與優化，得到一組較好的天線尺寸參數為：W1=8.9 mm，W2=3 mm，W3=1.7 mm，W4=8.7 mm，W5=5 mm，W6=19 mm，W7=11.3 mm，W8=2.3 mm，W9=96 mm，L1=34 mm，L2=2.4 mm，L3=16.8 mm，L4=7.4 mm，L5=2.3 mm，L6=60 mm，L7=30 mm，L8=10 mm，H=6.5.該天線采用了耦合饋電方式，可以增加低頻段的帶寬，L型枝節主要諧振出低頻段，U型枝節主要諧振出高頻段.

3 天線參數分析

為分析天線結構參數對天線阻抗性能的影響， 得出影響天線阻抗特性的敏感尺寸參數， 利用 HFSS 微波仿真軟件對天線進行了多次仿真研究.結果表明， 影響該天線阻抗特性的主要尺寸參數是 W3與L8. 仿真過程是在保證其他尺寸參數不變的情況下，僅僅改變 W3或L8 其中一個數值. W3取值依次為1.4 mm，1.7 mm，2 mm；L8依次取值為6 mm，8 mm，10 mm，使用HFSS仿真可得到回撥損耗曲線圖，如圖5與圖6所示.

從圖5可以看出，當 W3小于1.7 mm時，低頻段的諧振頻率會變大，不能覆蓋 GSM 900 頻段，而且高頻段的阻抗匹配會變差；當 W3在1.7 mm與2.0 mm取值時，低頻段完全覆蓋 GSM 900 頻段，高頻段的阻抗匹配也得到提高，利用 HFSS 調整 W3致最優，取1.7 mm.

從圖6可以得到，對于參數 L8 主要影響高頻段的阻抗匹配，從6 mm到10 mm，高頻段的阻抗匹配依次變好，而且低頻段中頻段幾乎不發生變化，故 L8 取最優值10 mm.基于同樣的方法，對參數 H 和 W6 進行了靈敏分析.結果分別如圖7和圖8所示.對于內置天線，特別是內置手機天線，為實現智能手機的小型化，都會對天線的高度有一定的約束，但天線的高度往往會影響天線的帶寬，當天線的 H=4.5 mm時，該天線不能完全覆蓋3G頻段中的 DCS 1800 頻段，低頻段的帶寬顯然比 H=5.5 mm，H=6.5 mm時小，并且高頻段的回撥損耗過大，對于實際的天線應用難以實現匹配；隨著天線高度的增加，帶寬陸續變大，但出于實際應用的考慮，天線高度 H=6.5 mm 為最優尺寸.對于圖8，可以明顯看出，在 W6=10.3 mm 時，曲線發生明顯的變化，原因是當 W6=10.3 mm 時，底部的 L 型貼片不再與饋電部分耦合，而是連接在一起，這等效于增加了低頻段的諧振長度，此時諧振頻率約為 600 MHz，明顯不能覆蓋 GSM 900 頻段，這里是值得注意的.利用 HFSS，把W6 的參數值調致最優，即W6=11.3 mm.

4 仿真結果

4.1 回波損耗

回波損耗系數S11是衡量手機輻功率與阻抗匹配的一個重要標準，通常駐波比小于3∶1是判斷手機天線輻射性能好壞臨界點[7].利用 HFSS 仿真軟件對單極子手機天線的參數進行優化后，可以得到最終的手機天線的回波損耗如圖9所示.由圖9可見該手機天線的覆蓋頻段分別從857 MHz ～ 992 MHz以及從1 626 MHz ～3 000 MHz，且覆蓋頻段內的回波損耗S11 < - 6 dB，可以覆蓋移動通訊的2G / 3G /4G頻段，在實際應用中有一定的應用價值.

4.2 增益與方向圖

如表1所示，在880 MHz，1 750 MHz和2 500 MHz 3個典型頻率點上，所設計天線增益的仿真結果均大于2 dB，符合移動終端對天線增益的需求.

圖10是天線在 880 MHz，1 750 MHz，2 500 MHz 3個頻率點的輻射方向圖，顯然，在水平面上，輻射方向圖呈近似圓形，表明天線在水平面上具有良好的全向接收性能，符合實際需求.

5 結論

基于單極子手機天線的原理，利用 HFSS 仿真軟件優化設計了一款多頻段 4G 單極子手機天線，手機天線的帶寬較寬，能夠覆蓋 GSM 900（850 MHz～ 960 MHz），DCS 1800（1 710 MHz ～ 1 880 MHz），PCS 1900（1 850 MHz ～1 990 MHz），UMTS 2100（1 920 MHz ～ 2 170 MHz），LET 2300（2 300 MHz ～ 2 400 MHz），WLAN / WIFI / Bluetooth（2 400 MHz ～ 2 484 MHz），LET 2500（2 500 MHz ～2 690 MHz）等頻段.通過U型槽和L型槽的開槽技術，該手機天線諧振出兩個頻段，低頻段從857 MHz ～ 992 MHz，高頻段從1 632 MHz ～ 3 000 MHz，在這兩個頻段內回波損耗系數 S11 均小于 - 6 dB，滿足手機天線的基本要求.天線尺寸較小，為 39 mm × 15 mm × 6.5 mm.在各個頻段里，該手機天線增益均大于 2 dB，方向圖較好，具有一定的實際應用價值.

參考文獻

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[2] 楊虹，廖雪梅.一種五頻PIFA手機天線設計[J].電子元件與材料，2015（1）：100-101.

[3] 褚慶昕，葉亮華.小型雙頻E形縫隙手機天線[J].電波科學學報，2010，25（6）：1073-1075.

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[5] 雷傳球.小尺寸多頻段手機天線的研究與設計[D].成都：電子科技大學，2013.

[6] DONG J， JIAO Y C WENG Z B，et al. A coupled-fed antenna for 4G mobile handset[J].Progress in Electromagnetics Research，

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[7] 王安國，趙國煌，冷文，等.八頻段手機天線設計[J].電波科學學報，2013，28（2）：53-58.

Optimal design of a kind of multi-band 4G mobile phone antenna

CHEN Ying-hui， ZENG Wen-bo*

（School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： Based on the principle of monopole antenna， a novel planner antenna for 4G mobile phone is designed and optimized by using HFSS in this paper. The antenna consists of a radiation patch and two coupled branches， and the inverted L-shaped as well as a U-shaped coupled branch are introduced to achieve a multi-frequency characteristic. The return loss of proposed antenna is less than - 6 dB among the frequency bands of 857 MHz ～ 992 MHz and 1 626 MHz ～ 3 000 MHz， which meets the requirements of 4G applications in multi-frequency bands. Parameter studies are carried out by HFSS to investigate the key sizes which affect the impedance characteristics of the proposed antenna， and the result may give guidance for the design of this kind of antenna.

Key words： mobile phone antenna； multi frequency； planner antenna； HFSS

（學科編輯：張玉鳳）