应用于带有闭合金属边框手机的缝隙天线

操瑞鑫,叶 明,倪 杨

(上海大学通信与信息工程学院,上海 200072)

应用于带有闭合金属边框手机的缝隙天线

操瑞鑫,叶 明,倪 杨

(上海大学通信与信息工程学院,上海 200072)

提出了无断开 (闭合)金属边框情况下平面手机天线的模型,解决了在闭合金属情况下导致的传统平面天线带宽变窄的问题。通过天线折叠技术,将其面积缩小至手机应用的尺寸内。然后,进一步的阻抗匹配使在smith圆图上将天线的阻抗带宽调到了最大,使天线能够覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS 5个频段。采用开槽天线将金属边框作为天线的一部分能解决金属框对天线的影响。实测结果表明,低频部分带宽为142 MHz,高频部分带宽有480 MHz,满足了常用频段的需要。同时,为了避免发生手握的影响,金属框和地的接地点置于电路基板顶段,从而降低了手握的影响。

手机天线;金属边框;缝隙天线

1 引 言

近年来,为了保证手机的强度、质感和美观,一些手机厂商在设计手机边缘时增加一层金属边框,而为了减小导体边框对手机天线性能的影响,一般采用有一定高度的平面倒F天线(Planar Inverted-F Antenna,PIFA)[1-2]来减小导体边框对天线的影响。但随着手机外形越来越轻薄,而PIFA天线需要一定的高度才能保证有一定的带宽,所以目前对PIFA天线的设计提出了新的要求。而对于单极天线或者IFA天线,金属框的影响也会非常严重,减小其阻抗带宽,所以需要有新的方法来解决这个问题。将手机金属壳体接地[3]或改变金属壳体尺寸[4]可以改善对天线的影响;有些采用开关切换来进行可重构[5-6],从而使天线带宽满足实际的需求;也有很多通过二极管[7-8]来切换,使天线工作时满足需要的带宽。iphone4采用断开金属框,并用金属框作为天线的一部分,但没有更好地解决手机强度问题。在本文中,采用了平面缝隙结构的天线,利用手机的金属边框作为手机天线的一部分,激励起主板和金属边框之间的缝隙来提高天线的抗金属性能。实验结果表明,这种天线结构满足了GSM850(Global System for Mobile Communication,824～ 894 MHz)、GSM900(880～ 960 MHz)、DCS1800(Digital Communication System,1 710～ 1 880 MHz)、PCS1900(Personal Communication System,1 850～ 1 990MHz)、UMTS(Universal Mobile Telecommunication System,1 920～2 170 MHz)等5个频段。文献[9-10]说明了主板上电流的大小及分布决定了手握对天线的影响,电流越大,手握影响越大,反之,电流越小,手握的影响越小。把此天线缝隙尽量开到手机的顶部,下半部分可以充分接地,从而使主板上的电流减到最小,降低手握对天线性能的影响。

2 天线的设计与仿真

图1所示的复合型缝隙天线包含两条长短不同的缝隙,印制在电路基板上,在电路基板的背面采用50 Ψ的微带线馈电。电路基板长度为126 mm,宽度为66 mm,厚度为1 mm。电路基板采用相对介电常数为4.4的FR4材料,其电导率σ在频率为900 MHz时是0.005 5 s/m,在频率为2 000 MHz时是0.010 7 s/m。本复合型缝隙天线采用折叠状结构能很大程度减少天线在电路基板上所占用的面积[11-12],而且利用金属装饰边框与电路基板之间应有的缝隙作为天线的一部分,更加减小了天线占用空间。第一天线也就是比较长的缝隙,呈“勺子”型,其长度为115 mm,产生一个在频率为900 MHz时的约1/2波长基本谐振模式和频率为2 000 MHz时的约1波长第二个谐振模式。第二天线呈倒C型,也就是短缝隙,其长度为70 mm,产生另外一个在1 800 MHz的约1波长谐振模式。具体结构如图1所示,图1中所示的A区域是留给手机的扬声器位置,因此天线在电路基板上实际占用面积仅38 mm×13 mm。

图1 缝隙天线结构图Fig.1 Structure of slot antenna

根据图1所示的结构,第一天线和第二天线采用折叠结构减小了天线在电路基板上的面积,第二天线折叠在第一天线内部,没有增加天线所占用的区域,但是产生了一个高频谐振,改善了天线的高频带宽,而且减少电路基板下半部分电流分布,从而降低手握时对天线射频信号辐射的影响。

介质基板背面采用阻抗为50 Ψ的微带线馈电,微带馈线垂直于缝隙,位置在中间偏右。这样的馈电形式激励起印刷缝隙天线的两种谐振模式(1/2波长和1波长模式)[12]。通过调整微带馈线的宽度、长度和位置使在这两种谐振模式时有比较好的阻抗匹配。

在上述理论分析与设计优化之后天线的详细尺寸为:a=6 mm,b=24 mm,c=13 mm,d=10 mm,e=13 mm,f=30 mm,g=40 mm,h=17 mm,i=16 mm,j=6 mm,k=15 mm。

图1所示的金属边框1为缝隙天线的组成部分,我们可以把它模拟成为手机中的闭合金属边框,厚度为2 mm,然后按照图1中特定的几个位置(2、3、4、5)用微带线把电路基板和金属边框相连,使金属边框与电路基板之间形成特定长度的缝隙,把金属边框成为天线的一部分。

3 实验结果与分析

在上述分析和设计的基础上,用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS13软件对天线进行仿真和优化,得到上述的天线尺寸参数。根据这些参数,对天线进行了实际加工,天线实物图如图2所示。在微波暗室对天线进行了实际测量,效率范围为40%～70%。用Agilent8722ES矢量网络分析仪进行实际测试,测得结果与实际仿真结果如图3所示。从图3可以看出,仿真结果与实测结果基本吻合,但仍然有少量偏差,分析原因可能是由于实际加工精度和材料性能对天线与馈电网络没有完全达到阻抗匹配所致。天线阻抗带宽的实测结果表明,该复合型天线工作频率范围低频部分为818～960 MHz,绝对带宽为142 MHz,相对带宽为16%;高频部分工作频率范围为1 700～2 180MHz,绝对带宽为480 MHz,相对带宽为24.7%,满足手机通信的5个频段。

图2 天线实物图Fig.2 Photo of the slot antenna

图3 天线回波损耗仿真和实测图Fig.3 Comparison of simulated and measured return loss

复合型折叠缝隙天线的不同缝隙长度对天线阻抗匹配有很大的影响。图4分别给出了天线a、h、i 3段不同的长度对天线回波损耗的影响:(a)显示了a的长度对低频频带和高频频带影响都很大,随着a增大,低频带向高偏移,在a=18.5 mm时有比较好的阻抗匹配,使高、低频段阻抗带宽覆盖到手机正常通信的GSM850/GSM900/DCS/PCS/UMTS 5个频段;(b)表明h的长度主要影响低频频段,随着h的增加,第一天线的总长度增加,当缝隙长度增加时,谐振点向低频段移,因此优化后h的值设计为14.2 mm;(c)表明高频部分的第一个谐振点仅受i的影响,所以此谐振频率是由第二天线产生的。为了使高频频段覆盖的频率大于1 710MHz,i设定为6mm。

图4 天线回波损耗随不同参数的变化Fig.4 Comparison of return loss in different cases

在得到比较好阻抗特性前提下,对天线的辐射方向图进行了仿真,图5(a)、(b)、(c)分别给出了天线在0.9 GHz、1.8 GHz、1.9 GHz时 E 面和 H 面的归一化辐射方向图。

图5 天线方向图Fig.5 Radiation patterns of the antenna

图6(a)、(b)分别给出了天线在824～960MHz和1 710～2 170MHz频率范围内的最大增益仿真结果。

图6 天线的增益仿真结果Fig.6 Peak gain of the antenna

4 结 论

本文提出了一种能应用于带有闭合金属边框手机的缝隙天线,采用了在电路基板上加载两条复合型不同长度的缝隙设计,而且该天线充分利用手机金属边框和系统电路基板之间存在的缝隙,使手机金属边框成为天线的一部分,从而解决金属边框影响天线性能的问题,并且分析了天线参数变化点天线频率响应的影响。实验结果表明,该多频天线工作频段覆盖 GSM850、GSM900、DCS、PCS 、UMTS 5 个频段,天线的阻抗带宽和增益均满足现代个人移动通信系统的工作要求,具有广阔的应用前景。该天线具有结构简单、制作成本低、实用性强等特点。如何在满足5个频段带宽和增益要求下缩小天线尺寸是以后的研究方向之一。

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CAO Rui-xin was born in Anqing,Anhui Province,in 1986.He is now a graduate student.His research interests include microwave RF circuit and antenna.

Email:crxsam@163.com

叶 明(1957—),男,浙江人,高级工程师、硕士生导师,主要研究方向为微波与射频电路、微带天线;

YE Ming was born in Zhejiang Province,in 1957.He is now a senior engineer and also the instructor of graduate students.His research interestsinclude microwave RF circuit and microstrip antenna.

Email:yeming@staff.shu.edu.cn

倪 杨(1989—),男,江苏金坛人,硕士研究生,主要研究方向为微波射频电路和天线。

NI Yang was born in Jintan,Jiangsu Province,in 1989.He is now a graduate student.His research interests include microwave RF circuit and antenna.

A Printed Slot Antenna for Mobile Phone with Unbroken Metal Frame

CAO Rui-xin,YE Ming,NI Yang
(College of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The model to solve unbroken(closed)metal framed planar handset antenna is proposed.This model adopts the slot antenna to solve the narrow bandwidth caused by unbroken metal frame by the traditional planar antenna.By further folding,the area of the slot antenna is reduced to be suitable for handset.Through impedance matching,the smith chart is properly adjusted to gain the widest bandwidth for the band of GSM850,GSM900,DCS,PCS,UMTS.This structure uses the metal frame as a part of the antenna in order to solve the effect caused by traditional antenna and the metal frame.Test result showsthat the bandwidth is 142 MHz at the low-band and the bandwidth is 480 MHz at the high-band,which satisfies the common band for antenna.In order to avoid the hand effect,the grounding point for the metal frame is set away from the ground.

mobile phone antenna;metal frame;slot antenna

TN82

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.025

1001-893X(2012)06-0956-04

2011-11-23;

2012-02-22

操瑞鑫(1986—),男,安徽安庆人,硕士研究生,主要研究方向为微波射频电路和天线;