八频段手机天线设计

王安国 赵国煌 冷 文 陈 彬

（天津大学电子信息工程学院，天津300072）

引 言

随着移动通信的发展，应用于手机上的频段也越来越多，这就要求手机不但具有良好的兼容性，而且可同时工作在多频段上.这对于手机内置天线提出了更高的要求，既要满足小型化要求，同时应能工作于多频段.

对于手机内置天线的研究，很多研究者做了大量的工作［1－5］，设计出了能同时工作在双频段或三频段的小型化手机天线，可满足当前手机工作频段要求.然而，其最低频段仅限制在全球通信移动系统（Global System For Mobile Communications，GSM）频段上，尚不满足未来LTE的发展需求.

长期演进（Long Term Evolution，LTE）是3G技术的演进，其中710MHz是LTE的一个重要频率，一般移动设备有限的体积与710MHz较大的波长给设计师们提出了苛刻的要求.文献［6］～［10］采用印刷式平面天线，应用在LTE、全球移动通信系统GSM和集散控制系统（Distributed Control System，DCS）等频段上，实现较为方便，但它们占用了手机电路板中的较大面积，给其他电路布局带来困难.文献［11］～［14］采用折叠和弯曲贴片技术来解决面积占用问题，但可覆盖的频段较少.在多频段天线设计中，为了获得良好的匹配特性，可通过接地面修正等措施［15－16］，但这种方法的改进范围较小.本文提出一种单天线设计，该天线利用平面倒F天线（Planar Inverted－F Antenna，PIFA）原理和谐振电流的分流效应，设计其中四条带线分别谐振所需频段，能够同时覆盖LTE700（698～862MHz）/2 300（2 305～2 400MHz），AMPS800（824～894MHz），GSM900（880～960MHz），DCS1800（1 710～1 880 MHz），ISM/Bluetooth （2 400 ～ 2 480MHz），WLAN（2 400～2 483MHz）和 WiMAX（3 400～3 600MHz）八个服务频段，再通过一条带线连接到接地面，该天线能够很好地通过控制各个带线的长度来获得所需的频段.

1 天线结构与设计

所设计的天线结构如图1所示，图1（a）为天线的3D整体结构图，图1（b）为除接地面外的天线辐射单元未折叠时的平面结构图.在图1中可以看出天线具有比较简单的结构，为了便于分析，带线均用数字1到6依次标出.

天线辐射单元经折叠后，置于介质板的前端，并且通过超小 A 型（Sub－Miniature－A，SMA）接头馈电，其中，U型带线（带线1）和接地面相连接.整个辐射单元采用厚度为0.2mm的黄铜片制作，折叠后整个体积为37mm×20mm×7mm，介质采用介电常数为4.4的环氧树脂（FR4）材料，考虑到目前手机尺寸的趋势，介质板的面积选为38mm×120 mm.

对于一般的方形贴片来讲，谐振频率主要是通过如下公式

式中：f0为所需谐振频率；c为真空中的光速；L和W分别为方形贴片的长度和宽度，而对于本设计中带线来讲，宽度W可以忽略，式（1）可表示为

在图1（b）中，辐射单元通过SMA接头馈电后，电流分为两路，一路是从A点流经带线2上的B点，再到D点，该电流流经的路径长为72.5mm（约0.227λ，谐振频率为940MHz）；另一路是从 A点流经带线2上的B点、辐射贴片上的C点、G点，再到带线3上的E点，电流流经的路径长为101.4 mm（约0.23λ，740MHz的谐振频率），产生了可覆盖LTE700/AMPS800/GSM900的第一个工作频段.从A点到带线5上的F点的电流路径（四分之一波长）产生覆盖ISM/Bluetooth和 WLAN的第二个工作频段.当电流流过辐射贴片边缘时，从辐射贴片上的C点到G点的电流路径长度为25.6mm（约0.298λ），它在对第一个工作频段产生影响的同时，也激励出了3.5GHz的WiMAX频段.

从图2可以看出，添加带线6后出现了1.8 GHz谐振频率，且扩宽了第三个工作频段.处于1.8 GHz的频段为1.68～1.92GHz，满足DCS1 800和LTE2 300这两个频段的带宽要求.

图2 天线在添加带线6前后的反射系数仿真图

在添加带线6的时候，需要考虑馈电线和带线6之间的间隙LR对整体性能的影响，图3给出LR对手机天线反射系数的影响.从图中可以看出当LR的长度变化时，对第二个和第四个工作频段影响较大.在设计中，为满足带宽要求，选LR＝0.8mm.

图3 LR对手机天线反射系数的影响

为了能够获得更好的匹配特性，在带线4上延长了一小段的短截线Ladd，用于调整整体的匹配特性.图4中给出不同长度Ladd对天线反射系数的影响，同LR相似，Ladd对第二个工作频段和第四个工作频段影响较大.当Ladd＝1.5mm时，整体匹配性能较好，天线能满足 DCS，ISM/Bluetooth、WLAN和WiMAX这四个工作频段的带宽要求.

图4 不同长度的Ladd对八频段天线反射系数影响的仿真结果

2 实验结果及分析

所提出的八频段手机天线经过软件Ansoft HFSS仿真优化后，再进行加工制作，实际中测试均通过微波矢量仪 Agilent E5071B（300kHz～8.5GHz）测得.图5和图6分别给出了反射系数和电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）的仿真和实际测量结果，仿真和实测结果基本吻合.通常来讲，－6 dB反射系数可以作为测试手机天线反射系数性能好坏的一个临界值，而驻波比可以由反射系数转换而来，S11≤－6dB对应VSWR≤3.

从图5中可以看出，第一个工作频段分别谐振在740MHz和940MHz上，该频段从0.68GHz到1GHz，具有320MHz的带宽，覆盖到了LTE700、AMPS800、GSM900这三个服务频段.

图5中的第二个工作频段谐振在1.8GHz上，有320MHz的带宽（1 580～1 920MHz），同样满足DCS1800频段的要求.第三个工作频段谐振在点2.28GHz，该频段带宽有340MHz，可很好地应用在ISM/Bluetooth、LTE2300和 WLAN这三个服务频段上.最后的一个工作频段同样也具有较宽的带宽，从3.3GHz到3.69GHz，其390MHz带宽可覆盖WiMAX频段.

与图5中的数据一样，图6中给出的驻波比仿真和实测数据图两者数据基本吻合.在VSWR≤3情况下，各个频段点所覆盖的带宽基本满足八个频段的要求.

在手机天线设计中，接地面的长度对天线性能的影响较大，所以，在天线设计时，接地面的长度应予以考虑.图7给出了接地面长度对反射系数特性的影响.可以看出，接地面的长度对天线的第一、第二和第四个工作频段有较大的影响作用，长度越长对第四个工作频段影响越大，直接影响到其带宽.当接地面的长度为120mm时，天线能获得较好的匹配特性.

方向图是天线的重要指标之一，从图8的实测方向图可以看出，在x－z和y－z平面上，790MHz频点对应的方向图与四分之一波长的全向单极子天线的方向图相似，且在y－z平面上具有全向性.在其他的各个频段上的方向图也都呈现全向性，满足天线的全向性要求.

图9给出了所设计的八频段手机天线实测辐射效率和增益，对第一个工作频段来讲，增益从1.47 dBi变化到4.12dBi，且辐射效率均大于50%.第二个工作频段中，增益从1.69dBi渐变到4.81dBi，辐射效率也从65.8%到80.3%.第三和第四工作频段中，与第一、第二频段相比增益变化幅度较小，分别从3.62dBi变化到4.41dBi和从4.32dBi到4.72 dBi，其辐射效率也分别跟随着变化，依次是从51.247%至75.32%和从63.51%至77.41%.

3 结 论

提出了一种适应于手机终端上的八频段天线，该天线除去接地面后总体积为37mm×20mm×7mm.实测结果和仿真结果基本吻合.天线的每个谐振频点均可通过修正各自相应的带线长度，该天线适用于LTE700/2 300、AMPS800、GSM900、DCS1 800、ISM/Bluetooth、WLAN、WiMAX等无线通信频段.

［1］CIAIS P，STARAJ R，KOSSIAVAS G，et al.Compact internal multiband antenna for mobile phone and WLAN standards［J］.Electronics Letters，2004，40（15）：920－921.

［2］徐自强，郑 轶，杨邦朝，等.小型化低温共烧陶瓷瓦片式天线研究［J］.电波科学学报，2011，26（5）：850－854.XU Ziqiang，ZHENG Yi，YANG Bangchao，et al.Compact chip antenna based on LTCC technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（5）：850－854.（in Chinese）

［3］YEH S H，WONG K L，CHIOU T W，et al.Dualband planar inverted F antenna for GSM/DCS mobile phones［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（5）：1124－1126.

［4］谢建精，何晓华，章坚武.一种宽带小型化的三频PIFA天线［J］.电波科学学报，2010，25（6）：1219－1224.XIE Jianjing，HE Xiaohua，ZHANG Jianwu.A triband planar inverted－F antenna with wide band and small size［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（6）：1219－1224.（in Chinese）

［5］丁 君，张 勇，袁国靖.一种GSM宽带双频外置螺旋天线的设计与制作［J］.电波科学学报，2006，21（2）：298－301.DING Jun，ZHANG Yong，YUAN Guojing.Design and fabricating of GSM broadband dual－frequency exterior helix antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（2）：298－301.（in Chinese）

［6］褚庆昕，叶亮华.小型双频E形缝隙手机天线［J］.电波科学学报，2010，25（6）：1073－1078.ZHU Qingxin，YE Lianghua.Compact dual－band E－shaped slot antenna for mobile phone application［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（6）：1073－1078.（in Chinese）

［7］TUAN T M.Design dual band microstrip antenna fornext generation mobile communication ［C］//International Conference on Advanced Technologies for Communications.Ho Chi Minh City，October 20－22，2010：331－335.

［8］LIN Yifang，CHEN Huaming，LIN Cheyen，et al.Planar inverted－L antenna with a dielectric resonator feed in a mobile phone［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（10）：3342－3346.

［9］CHU F H，WONG K L.Planar printed strip monopole with a closely－coupled parasitic shorted strip for eight－band LTE/GSM/UMTS mobile phone［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（10）：3426－3431.

［10］CHEN Wenshan，LIU Yiting，HSU W H.Multifrequency printed loop antenna for mobile phone application［C］//International Symposium on Antennas and Propagation.Spokane，July 3－8，2011：1926－1928.

［11］LIN C C，CHEN H T，WONG K L.A folded metalplate monopole antenna for multiband operation of a PDA phone［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2003，39：135－138.

［12］CHEN H T，WONG K L，CHIOU T W.PIFA with a meandered and folded patch for the dual－band mobile phone application［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（9）：2468－2471.

［13］高 扬，张志军，陈文华，等.超小型设备上的双频带天线设计［J］.电波科学学报，2009，24（5）：944－947.GAO Yang，ZHANG Zhijun，CHEN Wenhua，et al.Dual－band antenna on miniature equipment［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：944－947.（in Chinese）

［14］LEE W Y，JEONG Y S，LEE S H，et al.Internal mobile antenna for LTE/DCN/US－PCS［C］//Proceedings of Asia－Pacific microwave Conference.Yokohama，December 7－10，2010：2240－2243.

［15］ABEDIN M F，ALI M.Modifying the ground plane and its effect on planar inverted－f antennas（PIFAs）for mobile phone handsets［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2003，2（1）：226－229.

［16］LIU C C，LIN Y F，LIANG C M，et al.Miniature internal penta－band monopole antenna for mobile phones［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2010，58（3）：1008－1011.