一种面向移动终端的八频可重构天线

鲍坤　雷超

摘 要：提出一种面向手机应用的可重构内置地面环天线，该天线具有两种工作模式，通过改变馈电点的位置，使得天线工作于不同的频率。该天线的设计中，通过加入感性器件和运用地面开槽技术来提高低频段的特性，同时采用耦合馈电来获得高频段的高带宽。整个天线尺寸60*17 mm2，结构简单，易于制造，可以覆盖移动通信的8个频段。

关键词：手机天线；可重构天线；耦合馈电；环天线

中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

随着科技的高速发展，和各种无线通信的服务要求，使得现在的手机终端向着更小，更轻，更薄，并且具有多功能发展。平面倒F天线（Planar inverted-F Antenna，PIFA）[1]被广泛应用于移动设备，并且具有紧凑的尺寸和多频段操作。除此之外，还有单极子天线（monopole），槽天线（slot）也都是常用的手机内置天线。对于移动终端更多频段、更高带宽的要求，环天线被逐渐提出并研究设计，但是环天线的阻抗匹配是设计的难点[2]。为了使得环天线有良好的阻抗匹配，以能够达到设计要求，采用耦合馈电的方式来获得多频段、高带宽[3]。除了耦合馈电能改善环天线性能外，加入感性器件可以偏移频率，使其工作在有效的频段范围内[4]。为了实现现代通信系统向着大容量、超带宽、多功能、超带宽的方向发展，可重构天线的概念被提出并得到广泛的研究和发展[5]。目前，研究最多的就是频率可重构天线，方向图可重构和极化可重构还有待进一步发掘。

本文提出了一种面向移动终端的频率可重构内置地面环天线。该天线通过改变馈电点的位置来实现频率的重构，两种工作状态共可以覆盖移动通信服务的8个频段：GSM850（824～880 MHz），GSM900（880～960MHz），GPS（1575MHz），DCS（1 710～1 880 MHz），PCS（1880～1990MHz），UMTS（1 920～2 170 MHz），LTE CN（2305～2400 MHz） ，和WLAN（2 400～2480MHz）。本文对该设计的天线制作了实物并进行了数据测试。

1 天线的结构

本文所提出的天线结构和尺寸如图1所示。主板采用FR4材料，厚度为0.8 mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。在主板的同一平面上，天线的尺寸只有60*17 mm2，地面的尺寸为60*83 mm2，主板另一面为空白面，无金属铜覆盖。天线的具体尺寸结构如图1所示。接有电感的地面环天线经过两个“E”字形状的耦合馈电的贴片进行馈电，馈电点1，2分别代表两种工作状态。具体设计方法和工作原理在下文介绍。

（a）

（b）

图1 天线结构

2 天线的设计

环天线属于平衡式天线，不同于平面倒F天线、单极子天线，其基本工作模式为半波长模式，此外，其还具有一个波长模式和一个半波长模式。因此，从最基本的环天线，可以获得多个谐振点。如图2所示，基本的环天线从馈电点出发，终端为短路点，从图2天线反射系数可以看出，-6 dB反射系数（VSWR=1：3）带宽能覆盖的频带为UMTS、DCS、PCS。低频区域谐振点在1.1 GHz附近，但不能够覆盖GSM900频带。为了能覆盖低频GSM850/900频带，可以加入感性器件来减增加有效电长度，降低谐振频率，同时可在地面开槽来增加低频段带宽，在这之前，先对实现可重构的设计做分析。

图2 基本环天线的反射系数仿真

本文采用改变馈电点位置来切换工作状态[6]，以实现频率的可重构。如图1（a）所示，通过加入两个“E”字形耦合馈电贴片，分别在馈电点1，2之间切换，通过耦合馈电贴片对基本的地面环天线馈电。反射系数幅度的仿真如图3所示，由于两个耦合馈电贴片尺寸大小不同，其做为耦合带的同时，自身也是个激励源，激励的频带范围不同。当馈电点设在1时，即工作状态1，其-6 dB反射系数的带宽能够覆盖GPS、LTE CN、WLAN三个频段。当馈电点设在2时，即工作状态2，其-6dB反射系数的带宽只能覆盖PCS、LTE CN两个频段。但是低频区域的GSM850、GSM900都不能覆盖，虽然实现了简单的频率可重构设计，但是结果并不理想。

图3 通过改变馈电点位置对耦合馈电

基本环天线反射系数的仿真

前面说到，通过加入感性器件和进行地面开槽可改善低频段性能，达到理想的GSM850/900频段。为此在天线与地之间加了一个感值为27 nH的电感L2，和地面开了一条长45mm，宽0.5 mm的缝隙，改变电流的流向和有效电长度。反射系数幅度的仿真如图4所示，在改变低频特性的同时，也提高了高频特性，两种工作状态共能覆盖GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN七个频段，但是出现一些无用的谐振点和频带，不能有效地覆盖所需要的频段范围。

图4 引入电感L2和地面开槽后对两种工作状态的反射系数仿真

为了得到良好的低频和高频特性，提高天线的阻抗匹配特性，又尝试引入一个感值为18 nH的电感L1连接在两个“E”字形耦合馈电贴片上方的天线部分。这就得到了本文图1提出的天线设计，其具体实物图片如图5（a）所示，图5（b）给出了最后完整天线的反射系数幅度的仿真和测试结果，测试结果基本与仿真结果相吻合，能覆盖上述所提到的八个频段，并且在高频范围内测试最高可用频段可扩展到2 760 MHz，可覆盖LTE EU（2 500-2 690 MHz）频段。

（a） （b）

图5 最后完整天线的反射系数的仿真与测试

3 结 语

本文提出一种频率可重构的内置地面环天线，该天线采用耦合馈电方式进行馈电，并通过改变馈电点位置实现可重构功能。在60*17 mm2平面上实现了-6 dB反射系数（VSWR=1：3）的带宽为785～978 MHz、1575～2760MHz，可覆盖8个移动通信的常用的频段，包括GSM850、GMS900、GPS、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN。

本文为了测试的准确性和方便性，没有对开关电路（控制切换馈电点）进行设计，若加入开关电路，在测试中需要考虑偏置电路引入的寄生参数。

参考文献

[1] Anguera J， Sanz I， Mumbru J， et al. Multiband handset antenna with a parallel excitation of PIFA and slot radiators[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2010， 58（2）： 348-356.

[2] Wong K L. 4G/Multiband handheld device ground antennas[C]//Microwave Conference Proceedings （APMC）， 2013 Asia-Pacific. IEEE， 2013： 134-136.

[3] Chu F H， Wong K L. Internal coupled-fed dual-loop antenna integrated with a USB connector for WWAN/LTE mobile handset[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2011， 59（11）： 4215-4221.

[4] Lee D H， Chauraya A， Vardaxoglou Y， et al. A compact and low-profile tunable loop antenna integrated with inductors[J]. Antennas and Wireless Propagation Letters， IEEE， 2008 （7）： 621-624.

[5]田雨波， 谭冠南. 可重构天线研究综述[J]. 江苏科技大学学报 （自然科学版）， 2012， 26（3）： 271-277.

[6] Mak A C K， Rowell C R， Murch R D， et al. Reconfigurable multiband antenna designs for wireless communication devices[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2007， 55（7）： 1919-1928.