一种小型化移动终端全网通天线

官伯然 张胜杰

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,杭州 310018)



一种小型化移动终端全网通天线

官伯然 张胜杰

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,杭州 310018)

提出一款适用于移动终端设备的小型化全网通天线,天线由参考地和平面天线构成,采用同轴馈电.该天线的高频通带响应通过高频单元基模与低频单元分支的高次模实现,天线的低频通带响应通过低频单元基模实现,并采用展宽低频单元枝节的方法实现所需低频通带带宽.天线总尺寸为30 mm×67 mm,其中辐射单元为33 mm×30 mm,参考地大小为34 mm×30 mm.使用微波仿真软件HFSS对天线的尺寸进行了设计优化,并对回波损耗、天线表面电流和天线的辐射方向图进行研究.天线样品的实测-6 dB阻抗带宽为820～968 MHz,1 695 ～3 020 MHz,覆盖了工信部所颁布的国内移动通信运营商所用的2G、3G、4G网络的全部频段.天线结构简单、覆盖频率广、体积小,具有一定的工程应用价值.

移动终端;全网通;天线;阻抗带宽

DOI 10.13443/j.cjors.2015080401

引 言

随着移动通信技术的快速发展,同时兼容国内三大运营商网络的全网通手机和其它应用设备成为移动通信应用研发的热点之一. 2013年12月,国家工信部颁布了国内手机4G运营牌照,三大运营商的4G频段划分为TD-LTE band38/39/40/41以及FDD-LTE band3,因此全网通手机需要覆盖包括GSM850/900,GSM1800/1900,CDMA800,CDMA2000,WCDMA850/900/1900/2100,TD-SCDMA 900/1900/2000,TD-LTE1900,TD-LTE 2300,TD-LTE2570～2620/2555～2655,FDD-LTE 1800/2100在内的所有频段.天线作为移动终端的信号收发器件,随着频段的不断增加,其设计要求不断提高,并得到国内外学者广泛研究.为减小天线尺寸, 增大天线的带宽,提高天线辐射性能,小型化、多频带、超宽带、可重构[1-6]等技术得到越来越广泛的应用.环天线、耦合馈电形式天线、多分支结构天线、缝隙天线和平面倒F天线[7-12]等天线形式在手持移动终端中被广泛采用.此外,一些其他结构形式的天线也被用于移动终端天线设计中.文献[13]通过在两个背靠背的G行单极子基础上应用T型地枝和双倒L型地枝结构,设计了一种用于手机终端的双天线系统.文献[14]利用弯折单极子、寄生地支和耦合分支激励设计了一种用于手持移动终端的九频段平面印制天线.文献[15]通过激发双环谐振单元的基模和多模谐振,并通过加载电容设计了一种移动终端多模MIMO天线,该天线可以覆盖830～900 MHz,1 700～2 200 MHz,2 400～2 700 MHz频段.

以上设计大多有足够的带宽,充分考虑了天线尺寸对手机性能的影响,并保证了天线具有一定的增益和辐射方向性.但是以上天线大多依赖手机外壳尺寸设计,体积较大,结构复杂,不适用于小型化、轻便化的移动设备.因此,适用于更加小型化移动设备的全网通天线成为研究的重要方向,而这类天线在文献中尚未见报导.基于以上分析,本文设计了一款小型化移动终端全网通天线,通过加载多枝节的折叠单极子,并利用单极子的基模和高次模展宽天线带宽以实现所需的全网频率覆盖.所设计的天线结构简单、馈电方便,不仅有多频段工作的特点,还具有适当的辐射性能,能够很好地适用于便携式、小型化无线移动通信系统中.

1 天线结构与设计

1.1 天线结构

天线基本结构如图1所示,具体尺寸如表1所示,深色部分表示金属铜箔.天线由参考地、馈电端口、辐射贴片三部分组成.平面单极子天线的馈电方式主要有微带馈电,同轴馈电,共面波导馈电,此外还有少量的电磁耦合馈电等[7-8, 11-12, 16],选择合适的馈电方式,对天线的性能有很大的影响.本文天线采用50 Ω的同轴线馈电,馈线的外导体焊接在参考地板上,中心导体与印制在介质板正面的馈电端口相连.这种结构有利于减小插入损耗和实现宽带响应.馈电端口为图1中标注的A点,馈电端口的宽度为2 mm.

图1 天线的尺寸与结构示意图

参数尺寸参数尺寸参数尺寸L67L316g128W30L410g21Lg33L57g325W113L66g43L113L78g53L225L828g61H175H213H39

天线印制在板厚为1 mm的FR-4介质板上,基板的介电常数为4.2,表面附铜为0.035 mm,整个天线的大小为30 mm×67 mm,其中参考地的大小为33 mm×30 mm,辐射贴片的总面积为34×30 mm2.天线采用多枝节的折叠单极子构成.为方便说明,各枝节按照字母标注,如图1所示.枝节A-A′工作中心频率为2 100 MHz,枝节A-B-B′工作中心频率为1 700 MHz,枝节A-D-F的基模工作于900 MHz,其二次模中心频率位于2 000 MHz,三次模中心频率位于2 600 MHz.为补偿天线的低频通带带宽,对枝节A-D-F的微带线采用渐变结构,同时增加枝节A-D-E-E′,以增强天线在低频通带的辐射强度,实现对低频通带GSM800/850频段的覆盖.

1.2 设计过程

根据单极子天线的辐射理论,首先以900 MHz中心频率设置单极子天线的尺寸, 记为天线#1.为充分减小天线尺寸,展宽天线带宽,天线采用蛇形渐变折叠线形式A-D-F和A-D-D′.通过仿真900 MHz单极子天线的特性可知,天线在900 MHz附近的辐射性能较差,在2 000 MHz,2 600 MHz,3 200 MHz处出现谐振.

对天线进行表面电流分析,并在天线馈电端口处引入第二根枝节A-A′,记为天线#2.本设计中,枝节A-A′的长度对天线辐射的影响至关重要.为了使天线能够覆盖全网通824～960 MHz,1 710～2 655 MHz的频段,需要对天线结构中影响工作频段的关键参数进行分析优化.天线#1的结构中,天线除激发基模外还存在高次模,为了展宽天线在高频通带的带宽,枝节A-A′需要使天线在除去2 000 MHz,2 600 MHz,3 200 MHz以外的谐振频率上产生谐振.为确定枝节A-A′的大致长度,对枝节A-A′的长度进行参数扫描分析,扫描分析结果如图2所示.

图2 枝节A-A′参数扫描分析

由图2可知,枝节的长度为3 mm和7 mm时,在1 700～3 500 MHz范围内,天线在2 300 MHz附近谐振较弱,当枝节长度增加到11 mm时,天线在整个1 800～3 500 MHz范围内,匹配情况得到改善,S11均在-6 dB以下.这是因为枝节A-A′处于天线#1的波腹位置,对天线#1的谐振没有太大影响,随着枝节长度的变化,枝节A-A′在2 300 MHz附近产生谐振,并且谐振强度随着枝节A-A′尺寸的变化逐渐增强.该谐振点正好处于天线#1的高次模谐振点2 000 MHz和2 600 MHz之间,通过谐振点的共同作用,实现该通带内的三谐振模式,拓宽了天线高频通带的带宽.

其后,对天线#2进行辐射特性和表面电流分析,并引入折线枝节A-B-B′,记为天线#3.为了进一步缩小天线所占用的空间,将枝节进行弯折.通过调节弯折枝节的长度,使该枝节谐振的中心频率位于1 700 MHz,增强了天线在1 700 MHz附近的辐射强度.自此天线的辐射特性除低频通带900 MHz带宽偏窄以外,其他通带的频率响应基本满足全网通频带的设计要求.为展宽天线低频通带的带宽,增加枝节A-D-E-E′,记为天线#4.通过仿真数据可以看出,该枝节的引入使天线在低频通带850 MHz处产生谐振,并与900 MHz的谐振点形成双谐振,展宽了天线低频通带的带宽.为了进一步对天线带宽进行微调,引入枝节A-C-C′,记为天线#5.通过调节该枝节的长度,来调节枝节A-D-F和枝节A-D-E-E′的阻抗,从而改变天线低频通带的辐射特性.天线设计过程中各天线的S11对比图如图3所示.综合以上分析,使用微波仿真软件HFSS对天线各枝节的长度进行调谐优化,最终的仿真数据表明,在回波损耗小于-6 dB下,天线的带宽为820～965 MHz,1 700～3 850 MHz,满足了移动网络全网频率覆盖,从而得到天线的最终设计方案.

图3 天线设计过程中各个天线的S11对比

2 实验结果及分析

根据图1给出的天线尺寸制作的天线样品如图4所示.天线的辐射面和参考地面均在单面覆铜介质板上实现,这种结构使天线结构更加简单,馈电更为方便,同时使天线更容易安装与调试.图5为该天线回波损耗的仿真和测试结果对比图.

图4 天线实物图

图5 天线S11实测与仿真结果对比图

由于刻板机的精度、加工工艺、同轴馈电端口处能量损失以及FR-4基板的介电常数随频率变化等不确定因素的影响,相对于仿真数据,天线的高频通带带宽变窄,但总体而言,仿真与测试结果吻合较好.天线样品的实测-6 dB阻抗带宽为820～968 MHz,1 695～3 020 MHz,能够覆盖国内移动通信运营商网络的所有频段,满足了设计要求.

为了进一步分析天线的辐射特性,分别对天线在900 MHz,1 800 MHz,2 300 MHz处的表面电流进行分析.图6给出了天线在900 MHz,1 800 MHz,2 300 MHz的表面电流分布图.由图分析可知,在900 MHz处,天线的表面电流主要分布在枝节A-D-E-E′上.当频率为1 800 MHz时,表面电流主要分布在枝节A-B-B′上,谐振模式主要通过枝节A-B-B′产生.频率为2 300 MHz时,谐振模式主要通过枝节A-A′产生,由于枝节A-C-C′的长度与枝节A-A′的长度接近,枝节A-C-C′也有较大的电流强度.通过对天线表面电流的分析可知,表面电流分布与天线各枝节的辐射特性基本一致,天线总体辐射是以各对应辐射枝节为主辐射后综合作用的结果.

图6 辐射面的表面电流分布

图7给出了天线在900 MHz,1 800 MHz,2 300 MHz处的远场E面和H面辐射图,由图可知,900 MHz在xoz面(H面)辐射方向图呈“8”字型双向辐射特性,而在yoz面(E面)天线具有全向辐射性.由于枝节间电磁辐射的相互影响以及枝节的多模谐振,1 800 MHz天线在xoz(H面)和yoz面(E面)的辐射方向图发生畸变,呈现出单向辐射性,2 300 MHz天线在H面和E面均呈现一定的全向辐射特性.

天线增益的仿真测试对比图如图8所示,低频段820 ～968MHz内,由于天线参考地尺寸较小,天线增益相对单极子天线增益有所下降,高频1 695～3 020 MHz内,天线实测增益约为2 dB,测试增益与仿真增益基本吻合.

图7 天线辐射方向图

3 结 论

设计了一款适用于国内移动运营商网络的小型化移动终端全网通天线.天线样品的实测-6 dB阻抗带宽为820～968 MHz,1 695～3 020 MHz,能够覆盖国内三大运营商所用GSM/CDMA/WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA/FDD-LTE/TDD-LTE网络的全部频段.分析研究了天线的回波损耗、表面电流以及辐射特性.实验表明,本文天线具有适当的辐射特性,并具有体积小、馈电方便、结构简单等优点,适用于小型化、便携式移动终端设备,具有一定的工程应用价值.

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官伯然 (1955-),男,山东人,博士,杭州电子科技大学教授,博士生导师,主要研究方向为电磁场数值分析、超导电子技术、微波通信与天线等.

张胜杰 (1989-),男,河北人,杭州电子科技大学电子信息学院硕士研究生,主要研究领域为天线理论与设计.

A novel miniaturized full netcom antenna for mobile terminal

GUAN Boran ZHANG Shengjie

(Institute of Antenna and Microwave, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

In this paper, a novel miniaturized antenna for full Netcom mobile terminal devices is proposed. The antenna consists of reference ground plane and planar antenna, and is fed with coaxial cable. The high-frequency passband response of the antenna is achieved by the fundamental mode of the high-frequency unit and the higher order modes excited in the branch of low frequency unit. The low frequency passband response is accomplished by the low frequency unit with the broadening width to increase the low frequency bandwidth. The compact size of the antenna is 30 mm×67 mm, wherein the radiation unit is 33 mm×30 mm, and the reference ground size is 34 mm×30 mm. The structure and size of the antenna are analyzed and optimized with the HFSS software, meanwhile, the return loss, surface current and radiation pattern are also analyzed. The measured -6 dB impendence bandwidth of the antenna prototype is 820-968 MHz, 1 695-3 020 MHz. It covers the complete 2G, 3G, 4G network spectrum of domestic mobile operators issued by Ministry of Industry and Information Technology of China. The antenna is simple in structure, small in size and covers a wide frequency, and it has certain value in practical applications.

mobile terminal; full Netcom; antenna; impendence bandwidth

10.13443/j.cjors.2015080401

2015-08-04

浙江省教育厅科研项目(Y201327468)

TN821.1

A

1005-0388(2016)03-0562-06

官伯然, 张胜杰. 一种小型化移动终端全网通天线[J].电波科学学报,2016,31(3):562-567.

GUAN B R, ZHANG S J. A novel miniaturized full netcom antenna for mobile terminal[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):562-567. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015080401

联系人： 张胜杰 E-mail: 842954174@qq.com