手机双带平面天线的研究与实现

2016-04-09房柳君

无线电工程 2016年3期

关键词：驻波比

赵　迎，王　琪，金　晨，房柳君

(南京工程学院通信工程学院，江苏南京 211167)

手机双带平面天线的研究与实现

赵迎，王琪，金晨，房柳君

(南京工程学院通信工程学院，江苏南京 211167)

摘要设计研究了一款平面结构的双频带手机天线，工作频率范围为880~960 MHz和1 710~2 690 MHz，研究目标是天线能够覆盖GSM、3G和4G移动通信，采用HFSS进行了仿真研究和优化设计。制作了实验模型，并对其驻波特性和方向图特性进行实测，理论与实验比较取得较好一致性，表明天线具有一定的工程应用价值。

关键词平面天线；双频带；驻波比；方向图

Research and Implementation of Dual-band Planar Antenna for Mobile Phone

ZHAO Ying,WANG Qi,JIN Chen,FANG Liu-Jun

(SchoolofCommunicationEngineering,NanjingInstituteofTechnology,NanjingJiangsu211167,China)

AbstractA dual-band antenna with a planar structure for mobile phone is designed and studied.The operating frequency ranges from 880 MHz to 960 MHz and from 1 710 MHz to 2 690 MHz.The purpose of research is that the antenna can cover the GSM,3G and 4G mobile communication.The simulation research and optimization design are implemented by using high frequency structure simulator(HFSS).The experimental model is constructed to measure its voltage standing-wave ratio and the radiation pattern.The comparison shows that theoretical and experimental results are in good agreement,and the designed antenna has a certain engineering application value.

Key wordssplanar antenna;dual band;voltage standing wave ratio;pattern

0引言

随着手机行业的发展，对于网络速度提出了越来越高的要求，衍生出3G和4G技术。国内运营商的3G和4G频段如下[1]：中国移动频段为1 880～2 025 MHz(3G)和1 880～2 635 MHz(4G)；中国联通频段为1 940～2 145 MHz(3G)和2 300～2 575 MHz(4G)；中国电信频段为825～880 MHz(3G)和2 370～2 655 MHz(4G)。新一代移动通信的特点是频率高、频带宽，要求与2G无线通信兼容，还要求尺寸轻薄、样式美观。为了适应现代无线通信终端的要求，需要设计出与手机要求相适应的天线。近年来国内外手机天线有多种不同的设计：采用耦合方式的天线[2,3]、使用MIMO技术的天线[4]、使用共顶点嵌套的三角形环做辐射面的多频天线[5]、使用弯折结构和开缝手段形成多频的小型天线[6]、使用分形自相似性的微型天线[7]和使用平面结构定向辐射天线[8]等，以适应各种不同的具体应用。本文研究并实现了一款双频带天线，结构简单、平面设计，采用基于有限元法方法的HFSS[9]进行仿真研究，并通过制作天线模型进行测试，使天线能同时有效工作于GSM、3G和4G频率范围。

1天线模型的构成

天线结构如图1所示，图1(a)为平板天线的正面结构，图1(b)为背面结构。天线的基本结构采用单极子形式，为了展宽天线的带宽，采用三角渐变的振子，由α角和高度h来表征。通过外加弯折枝节以形成新的谐振点，枝节长度由W2+L2+W1+L1确定，其他尺寸标注在图中，背面中黑色部分构成金属接地面。

作为初始的仿真参数，取W=60 mm，L=120 mm，W0=36 mm，L0=15.5 mm，WP=1.5 mm，L3=109.5 mm，W2=12.5 mm，B2=2 mm，L2=9.5 mm，W1=30 mm，L1=10.15 mm，B1=1 mm，α=41.65o，h=9 mm，介质板厚度H=1.5mm，介电常数εr=4.4。

图1　天线结构

2天线回波损耗特性研究

下面通过改变不同的参数来观察天线各个部分尺寸变化带来的影响。

首先比较天线几何尺寸为初始仿真参数情况下，不添加弯折枝节和添加弯折枝节对天线回波损耗的影响。由图2可见，枝节的引入形成了新的谐振点。由于枝节总长度大于三角振子高度，这个新的谐振点处在原谐振点的低频端，可用于形成在GSM工作的频段。

图2　回波损耗与有无枝节的关系

通过改变枝节长度可以观察S11的变化情况。当其他尺寸不变，L1分别取9.15 mm、10.15 mm和11.15 mm时，其回波损耗与频率的关系曲线如图3所示。图3表明，随着L1变大，低频端的谐振点逐渐左移，因此可通过调节L1来实现低频端谐振频率的精确调整。L1的变化对高频端谐振点的影响规律性不够明确，不作为设计高频端工作频率的主要依据。

图3　回波损耗与L1的变化关系

在其他尺寸不变情况下改变α角的大小，回波损耗的频变曲线如图4所示。图4表明，角度的变化对低频端和高频端谐振频点都有一定影响。随着α的增大，谐振点有一定左移。考察高频端，当角度α增大到一定值后，由于阻抗匹配变差，谐振点消失。

图4　回波损耗与α的变化关系

改变枝节入口处宽度B2大小，回波损耗的频变关系如图5所示。图5表明，随着B2的增大，对低频部分几乎不产生影响，而高频部分呈现显著的变化，谐振频率以较大幅度向右移动，表明改变B2大小是实现天线高频谐振点设计的有效方法。

图5　回波损耗与B2的变化关系

一般馈源阻抗都是50 Ω，因此馈电的微带线宽度WP理论计算值应为2.8 mm。作为比较，分别选取WP为1.5 mm、2.5 mm和2.8 mm，计算结果如图6所示。图6表明，当WP=2.8 mm时，在频率2.1 GHz处达到理想匹配；WP=2.5 mm时，在频率1.88 GHz处达到理想匹配，但该宽度对低频端谐振点也产生了影响，因此需要综合设计。

图6　回波损耗与的Wp变化关系

通过上面的数值分析，理清了天线各个几何尺寸变化对阻抗特性的影响，根据天线设计的要求，可借助HFSS进行全面优化，其最终设计尺寸为W=60 mm，L=120 mm，W0=36 mm，L0=15.5 mm，WP=1.5 mm，L3=109.5 mm，W2=12.5 mm，B2=2 mm，L2=9.5 mm，W1=30 mm，L1=10.15 mm，B1=1 mm，α=41.65°，h=9 mm，H=1.5 mm。

天线实验模型采用双面覆铜介质板，用腐蚀工艺配合手工处理制作而成，如图7所示。天线驻波比通过PNA3621网络分析仪进行测量，为了便于分析，将测量数据与仿真数据一起绘制于图8中进行比较。由图8可以看出，2根曲线基本吻合，表明仿真计算的正确性。天线工作频率基本能覆盖GSM、3G和4G范围，这表明天线具有一定的工程应用性。

图7　天线实物

图8　仿真与测试结果

3天线方向图特性研究

本文主要计算了频率为2.4 GHz并经过归一化处理后的增益方向图，如图9中实线所示。图9表明，在yoz平面内，最大辐射主要分布在θ=0°和θ=180°的方向，而在θ=90°方向相对微弱(θ是在yoz面内与y轴的夹角)。xoz平面的归一化方向图同样揭示了天线的方向性。对于方向图的测试，通过将天线连接到无线路由器，再利用笔记本电脑接收信号来定性描述，如图9中的实心点所示。与仿真数据比较可见，大部分实验数值点在仿真曲线附近，实验测量和仿真结果较为一致。

图9　增益方向图

4结束语

现代手机天线都朝着小型化、平面结构、双频带或多频带方向发展，采用仿真技术与实验相结合的方法是实现天线设计的最佳途径。本文所设计的天线具有结构简单、双频带工作、频带宽和低成本等系列特点，能够同时覆盖移动通信的多个频段，与实验比较具有较好的一致性。文中所采用的仿真技术较好地实现了天线的优化设计，并通过比较研究掌握了天线的特点。研究结果对工程应用具有一定的指导价值。

参考文献

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[2]ZHAO G H,WANG A G,LENG W,et al.Wideband Internal Antenna with Coupled Feeding for 4G Moblie Phone[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(3):513-516.

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[5]林澍,蔡润南,黄冠龙,等.三角形嵌套多频单极印刷天线的仿真与实验[J].微波学报,2011,27(3):38-42.

[6]周彬,逯贵祯,杨旗.平面三频单极子手机天线设计[J].微波学报,2010,26(S2):219-222.

[7]刘英,龚书喜,傅德民.用于多频通信的微带分形贴片天线[J].微波学报,2001(4):76-79.

[8]金晨,王琪,赵迎.平板WIFI定向天线的研究[J].无线电通信技术,2015,41(2):45-46.

[9]李明洋,刘敏,杨放.HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社,2011.

赵迎男，(1994—)，本科。主要研究方向：天线技术。

王琪男，(1956—)，教授。主要研究方向：天线技术。

作者简介

基金项目：江苏省实践创新训练计划项目(201411276018Z)。

收稿日期：2015-09-15

中图分类号TN823

文献标识码A