一种新型宽带移动终端天线设计方案

马群洲，高攸纲

（北京邮电大学，北京 100876）

引言

微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形等优良特性，但是微带天线是典型的窄带天线，由于其较小的尺寸和较大的Q值的限制，使得它的带宽很窄，如何有效地扩展微带天线的带宽成为一个广泛的课题。微带天线的带宽展宽主要有这几个途径：

降低Q值[1-3]：这主要是通过增加基片厚度和降低基片相对介电常数来实现的。增加基片厚度，从物理意义上说，增大基板的厚度就是增大了微带贴片四周缝隙的宽度，从而增加了从谐振腔中辐射出的能量。但是增加基片厚度在无线通信终端上常常会带来终端厚度的增加。采用具有较大损耗的基板材料可以降低谐振腔的Q值，使天线的阻抗带宽明显展宽，但这是以牺牲天线效率为代价的。降低天线的介电常数可以减小谐振腔中储存的电场能量，从而降低天线Q值，但是降低介电常数的潜力是有限的（最小为空气，1）。

采用多谐振技术[1-3]：修改谐振电路，采用多层结构，或者寄生谐振电路，使得相叠的两片分别调谐与不同的频率，从而使得工作频带展宽。

增加阻抗匹配网络[4]：通过在天线和馈电点之间加入宽带阻抗匹配网络也可以获得宽频带的天线性能，但是这会由于匹配器件的损耗性带来额外的辐射效率降低。

微带天线的多频段技术[1,5]：实现微带天线的多频段工作一般会有三种方式：单片多模法、单片加载法、多片法。单片法只用一个贴片，但利用不同的模式工作，或利用加载实现几个不同的谐振频率以实现多频工作；多片法是利用谐振频率不同的多个贴片来工作。

文章同时采用微带天线频带展宽技术和多频段技术，实现了一个在可以实现五频段内具有VSWR<3的驻波比的天线。

1 基本理论

微带天线分析方法：天线分析的问题就是求解天线在空间的Maxwell方程组，也即电磁场分布。求得电磁场分布后，进而可以得出天线的电流分布和方向图、增益、输入阻抗等特性指标。

分析微带天线比较常用的理论模型是传输线模型（见图1）。传输线模型将矩形微带天线看成是场沿横向没有变化的传输线谐振器，场只沿长度方向按驻波变化，通常是半个波长，辐射主要是开路端的边缘场产生[2]。

贴片的宽度a的大小影响着微带天线的输入电阻特性，因此影响天线的阻抗带宽。贴片宽度a一般由下式决定，当贴片宽度a大于上式时，则会产生高次模。

c为光速， fr为微带天线的谐振频率，rε为介质板介电常数。

贴片长度b原则上是1/2谐振波长，但是考虑到边缘缩 放效应后，实际贴片长度b由下式决定。

其中哈默斯塔德给出的Δl经验公式为：

有效介电常数为：

2 天线结构与仿真模型

文章提出的天线结构如图2所示，其制作在相对介电常数为4.4，厚度为0.8的玻璃纤维环氧树脂介质板上。为了提高天线的带宽，天线的左边部分采用了寄生天线，以提高高频部分的带宽，同时为了弥补长度不够的不足，寄生部分的接地通过采用串联一个12nH的电感实现接地。为了提高低频部分的带宽，接地板的地分成了两个部分，中间缝隙为1mm，两个地通过一个10nH的电感相连接，具体天线尺寸参见图2。

图1 微带天线等效模型

3 仿真与分析

图2 天线尺寸图

图3 天线阻抗回波损耗和阻抗圆图

图4 电流分布图

如图3所示为天线的回波损耗仿真结果。仿真结果表明，天线在0.816GHz～1.099GHz频段和1.701GHz～2.260GHz频段内回波损耗均可以达到-6dB。其中低频部分主要是由地板之间的缝隙部分和主天线辐射片产生，高频的第一个谐振点部分主要是由主辐射片的左半部分和寄生天线产生，高频的第二个谐振点部分则主要是由地板之间的缝隙部分和寄生天线产生。图4(a)（b） (c)分别是这三个频点的电流分布图，从图我们可以明显的看出天线谐振的产生部分。

图5 在缝隙中串联不同电感值时的回波损耗

图6 天线辐射方向图

图7 天线实物图

图8 实测天线结果

对于低频，其主要辐射来自于地板间的缝隙和主辐射片两部分，两个谐振点在比较合适的间距情况下，可以形成参差调谐，有效的扩展带宽。而对于缝隙辐射，串联的电感起到调节谐振频率的作用。通过调整不同的电感值，可以实现低频带宽的优化，下图5就是对应一组电感值的回波损耗，电感值L有(4nH,7nH,10nH,13nH,16nH)，显然在选择10nH的时候，可以获得较宽的低频带宽。

图6(a) (b) (c)分别是天线在0.960GHz，1.691GHz，2.072GHz时的方向图，由图b可知天线辐射性能基本达到全向，满足移动通信终端的工作需要。

4 实际测试结果

图7为最终所制作的天线实物，并用网络分析仪对天线进行了阻抗测试，而且在天线暗室中进行了效率测试，实验结果与仿真结果很接近，图8（a）为测试的回波损耗结果，图8（b）为在天线暗室中测试的辐射效率。结果表明天线的阻抗特性和辐射效率都满足五频天线的需要。

5 结论

设计了一个宽带天线，可以满足GSM 850/900/1800/ 1900以及WCDMA2100五个频段的需求，通过采用开槽，加寄生辐射片以及多层辐射片等技术，实现了一个五频天线可以使用在五频手机上。

[1]卢万铮.天线理论与技术[M].西安: 西安电子科技大学出版社, 2004: 245-249.

[2]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安: 西安电子科技大学出版社, 1991: 152-159.

[3]KIN-LU WONG. Compact and Broadband Micro strip Antennas[M]. John Wiley&Sons, Inc., 2002: 129-149.

[4] ZHIJUNZHANG. Antenna Design for Mobile Devices[M]. John Wiley&Sons, Inc. 2011: 19-58.

[5] Kim Dong-Yeon. A compact tri-band PIFA with multiplefolded parasitic elements [J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2007: 259-262