一种多频段单平面Monopole手机天线的设计

杨虹+侯春鹏

摘要：設计了一种多频单平面monopole 手机天线，通过添加耦合馈电短路枝节和调整天线尺寸，在天线回波损耗S11 < -6dB时，实现了对LTE-700/2300/2500，GSM-850/900，DCS-1800， PCS-1900，UMTS-2000，WiMAX-2300，WLAN-2400的完全覆盖。天线辐射单元面积为15×55mm2，印刷在一块 115×55mm2 0.8mm厚的C形FR4衬底上，仿真结果表明水平方向近似全向，能够满足4G智能手机的实际需求。

关键词：Monopole天线；多频段；耦合馈电；单平面；LTE700；设计

中图分类号：TN828 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）01-0145-02

随着移动通信技术的飞速发展，移动通信4G时代正在稳步向前，通信系统现在处于2G、3G与4G共存的局面。手机要实现更多的功能，那么就意味着在相同的手机尺寸空间下，手机天线要求支持更多的频段、覆盖更大的带宽。为了能够覆盖这些通信频段，系统需要能够覆盖其中不同频段的多个天线来一起工作。但由于手机的空间有限，导致各个天线靠得较近，从而因为耦合作用降低通讯质量。因此，研究新型的多频宽带的手机天线很有必要。近年来，学者们提出了很多适用于LTE频段（698-787，2300-2400， 2500-2690MHz）和WWAN（1700-2690MHz）的手机天线[1-5]。

本文提出了一种单平面的monopole手机天线。该天线通过一个耦合馈电的短路枝节和直接馈电的单极子天线组成，天线和地板平面在同一平面上，集成在一块C形的介质板上，实现了期望的带宽（698-960，1710-2690MHz），覆盖了LTE-700/2300/2500，GSM-850/900， DCS-1800， PCS-1900，UMTS-2000，WiMAX-2300，WLAN-2400十个频段，可用于不同制式的无线通信设备。

设计的天线仅占15×55mm2的面积，印刷在一块面积115×55mm2 0.8mm厚FR4衬底上，结构简单紧凑，剖面低，非常适用于超薄智能手机。本文对天线进行了仿真，仿真结果显示天线具有良好的阻抗带宽和辐射特性，具有潜在的工程应用价值。

1 天线设计

图1（a）为所设计天线的结构图。天线设计可以粗略的分成两部分：右边部分主要负责低频部分（698-960MHz），由一个L形的馈电带线和一个耦合的短路寄生贴片组成，它们分别在700MHz和900MHz激起一个基本谐振；左边部分主要负责高频部分（1710-2690MHz），由一个L形贴片和一个平行的贴片组成。它们被印刷在PCB顶端55X15mm2 的净空区域，其厚度为0.8mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。天线由一根50Ω的同轴线进行馈电。如图1（b）所示，PCB中引入了一个30mmX60mm的缺陷，该缺陷可以为手机电池留出更多的空间，有利于手机的轻薄化，另外有助与低频的阻抗匹配，使低频能够很好的覆盖LTE700这一频段。通过仿真优化，列出了最终天线的尺寸参数。

2 结果与分析

由图2为天线的回波损耗仿真结果，从图中可以看到天线在低频和高频分别产生两个谐振，当回波损耗小于-6dB时，天线谐振低频带宽为681-1005 MHz，谐振高频带宽为1.69-2.71GHz，完全覆盖了4G手机的全部LTE频段。图3为天线在720MHz，1.72GHz和2.65GHz三个谐振点YZ面和XZ面的增益方向图。可以看到天线在H面（YZ面）有很好的全向辐射特性，在E面（XZ）面呈8字方向特性。这是因为短路耦合枝节的引入在面看似加载了反射器，同时在面天线的地板也充当了反射器的作用，这两种情况都会改变E面辐射方向图，造成对面比对面影响更大些。

3 结语

设计了一种多频段平面单极子手机天线，通过添加耦合馈电的短路枝节和调整PCB地板结构，决了小型手机天线低频段LTE700难以覆盖的难点。所设计的天线结构紧凑简单，剖面低，易于加工和集成。天线可以工作在LTE-700/2300/2500， GSM-850/900， DCS-1800， PCS-1900，UMTS-2000，WiMAX-2300，WLAN-2400十个频段，具有良好的阻抗匹配和全向辐射特性，适用于当今超薄全网通手机。

参考文献

[1]J H Lu， F C Tsai. Planar internal LTE/WWAN monopole antenna for tablet computer application [J]. IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2013，61（8）：4358-4363.

[2]S Shoaib， I Shoaib. Compact and printed multiband antennas for 2G/3G/4G smartphones [C]. IEEE Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting，2015： 1138-1139.

[3]M Ojaroudi， Sh Yazdanifard. Small square monopole antenna with enhanced bandwidth by using inverted T-shaped slot and conductor-backed plane [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2011.

[4]Keng-Chih Lin， Chih-Hao Lin. Simple printed multiband antenna with novel parasitic-element design for multistandard mobile phone applications [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，60（7）：3789-3793.

[5]Jui-HanLu， Jia-LingGuo. Small-size octa-band monopole antenna in a LTE/WWAN mobile phone [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：548-551.