一种应用于4G通信的小型多频手机天线

宋盼,谢亚楠,潘登科,刘志昆,耿莉

(上海大学通信与信息工程学院,上海200444)

一种应用于4G通信的小型多频手机天线

宋盼,谢亚楠,潘登科,刘志昆,耿莉

(上海大学通信与信息工程学院,上海200444)

提出了一种新型的应用于4G通信的小型多频手机天线.利用折叠单极子、多枝节谐振等技术使天线谐振在多个频段.天线结构紧凑(32 mm×15 mm×0.8 mm),由两个折叠单极子组成,长度均约为1/4谐振波长,其中倒C形枝节谐振在2 GHz附近,倒F形枝节谐振在900 MHz附近.天线通过50Ω匹配传输线直接馈电,两个枝节共同叠加耦合辐射,实现带宽810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,覆盖了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/ LTE 2300/2500频段,符合4G通信手机天线的标准.对天线进行了加工和测试,测试结果与仿真结果基本吻合.

手机天线;单极子天线;小型多频天线;4G

随着移动通信技术的快速发展,应用于手机上的频段越来越多,天线多频化和宽带化已成为必然需求,但因手机物理空间的局限性,天线小型化亦迫在眉睫.另一方面,天线尺寸的减小又意味着频带变窄、效率降低.如何在保证天线工作性能的前提下,设计出小型多频天线成为世界性的研究热点.对于4G通信,除了3G时代常用的频段GSM850(824～894 MHz),GSM900(880～960 MHz),DCS 1800(1 710～1 880 MHz),PCS 1900(1 850～1 990 MHz), UMTS(1 920～2 170 MHz)之外,手机天线还需要覆盖新的通信频段,如LTE 700(698～787 MHz),LTE 2300(2 350～2 400MHz),LTE 2500(2 500～2 690 MHz)等.

对于4G通信手机天线,很多研究者已经做了大量的工作[1-7],设计出了能同时工作在多个频段的小型化天线.然而已有的4G通信天线有的只能覆盖较少的通信频段,有的天线虽然满足了基本通信频段但尺寸较大,需要占用较大的空间.

本设计利用折叠单极子多枝节谐振等技术使天线谐振在多个频段,天线辐射单元由两部分折叠枝节构成,整体可以产生900 MHz,1.54,1.72和2.60 GHz共4个主要谐振点,结构简单且性能良好.实验结果表明,本设计天线结构紧凑(32 mm×15 mm×0.8 mm),带宽为810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,覆盖了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/LTE 2300/2500频段,符合4G通信手机天线的标准.

表1比较了多篇已有文献中的天线带宽和尺寸.通过此表可以直观地看出,综合天线带宽和尺寸,本设计仍具有一定优势.

表1 本设计天线与已有文献天线的比较Tab le 1 Contrast between antennas fromdiff erent papers

1 天线结构与设计

本工作所设计的天线结构如图1所示,为了模拟真实环境中手机天线的辐射情况,在手机地板的周围设置介电常数(εr)为3.0,介电损耗角正切值(tanδ)为0.02的壳体来模拟手机的真实外壳,外壳厚度为1 mm,整体高度为10 mm.天线采用εr=4.4,tanδ=0.02的环氧树脂(FR4)作为介质板,介质板大小为55 mm×115 mm×0.8 mm;天线辐射部分位于介质板的左上角,所占面积为32 mm×15 mm;介质板背面地板由两部分组成,所占面积分别为55 mm×100mm和21mm×15mm.

天线倒C形枝节(简称枝节1)的总长为32.5 mm,约为2 GHz频点下波长的1/4;倒F形枝节(简称枝节2)在枝节终端又分为两个电流走向,利用F形形状的特点,使得两条电流路径的长度稍有不同,进而谐振在两个不同但很接近的低频点上,拓宽了低频的带宽.枝节2中两条电流路径的长度分别为65.9和70.0 mm,结合枝节间耦合作用,使得枝节2谐振在900 MHz附近.天线通过50Ω匹配传输线直接馈电,两个枝节共同叠加耦合辐射,最后实现天线阻抗带宽为810～971MHz和1 495～2 786MHz,覆盖了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/ LTE 2300/2500频段,符合4G通信手机天线的标准.

图1 天线结构图F ig.1 Geometry of the proposed antenna

在天线设计过程中,利用三维电磁仿真软件HFSS(high frequency structure simulator,高频结构仿真器)进行仿真和分析.以手机天线设计中被广泛接受的S11<-6 dB[2-12]作为界定天线阻抗带宽的评判标准.为了揭示本设计天线的工作原理,图2分别对比了不同天线结构的S11仿真结果,发现天线1#和天线2#中的尺寸和本设计相同.

从图2中也可看出,天线1#作为高频辐射枝节,单独辐射时会在2 GHz附近产生谐振;天线2#作为低频辐射枝节,单独辐射时会在0.9 GHz附近产生基模谐振,并在1.56和2.30 GHz处产生高次模谐振.将天线1#和天线2#结合起来形成本设计的天线,整体可以覆盖810～971 MHz和1 495～2 786 MHz.

图3～5分别分析了不同参数对天线性能的影响.图3通过改变t的大小(即图1(b)中倒F形枝节中两条末端枝节之间的距离)来观察天线反射系数的改变,从而优化天线参数.此时,枝节1的位置固定,调节t既是调节枝节1中两条末端枝节之间的距离,也在调节枝节1和枝节2之间的距离.从图3可以看出,t的改变可以影响900 MHz处S11的大小及高频可以覆盖的最高频率.经权衡,t=2.7mm是较好的选择.

图2 不同天线结构的S11图F ig.2 S11of diff erent antenna geometry

图3不同t对天线S11的影响F ig.3 S11versus the length of t

图4 是通过改变s的大小(即图1(b)中倒C形枝节中两条金属带之间的距离)来分析其对天线性能的影响.可以看出,调节s对高频影响较大,对低频影响很小,且s越大,1.7 GHz附近的频点会变低,而2.6 GHz附近的频点会变高.图5是通过改变枝节1中l的大小来观察天线性能的变化.可以看出,l的改变对高频影响较大,对低频基本没有影响,且随着l的增大,高频频点会往低处偏移,且高频带宽会变窄.

2 实验结果及分析

本工作不仅对天线进行了仿真,还制作了实物,并运用网络分析仪进行测量.图6为天线的实物图,图7为天线的仿真和实测的S11.仿真结果中天线带宽为810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,实测结果与仿真结果偏差较小,基本吻合.实测天线低频阻抗带宽为825～995 MHz,高频天线阻抗带宽为1 580～2 680 MHz,满足通信频带要求.

图4 不同s对天线S11的影响Fig.4 S11versus the length of s

图6 天线实物图F ig.6 Photographs of the proposed antenna

图5 不同l对天线S11的影响Fig.5 S11versus the length of l

图7 S11的仿真与实测结果比较Fig.7 Comparisons of themeasured and simulated results of S11

图8 (a)～(c)分别给出了天线在935,1 785和2 380MHz所测得的x-y,y-z和z-x三个平面的EΨ,Eθ.可以看出,所测各个频点的天线具有与对称振子天线相似的全向辐射特性,可以接收和发射全方位的信号.

图8仿真和实测的辐射方向图Fig.8 Measured and simulated radiation patterns

图9 给出了天线在各个频率的最大增益和效率的仿真和实测结果.可以看出,在820～980MHz之间的天线增益为-0.5～2.9 dBi,辐射效率为42.3%～88.5%;在1 640～2 600MHz之间的天线增益为0.8～2.5 dBi,辐射效率为55.6%～78.7%.

3 结束语

本工作提出了一种新型的应用于4G通信的小型多频手机天线.本设计天线结构紧凑,大小为38 mm×12 mm×0.8 mm.本设计运用3个折叠微带线产生900 MHz,1.54,1.72和2.60 GHz共4个主要谐振点,并通过多个枝节的叠加和耦合使天线带宽变宽,实现了天线阻抗带宽为810～971 MHz和1 495～2 786 MHz,覆盖了GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/ LTE 2300/2500频段.对天线进行了加工和实测,所得实测结果和仿真结果基本吻合,符合现代超薄智能手机对4G通信天线的要求.

图9 天线增益和辐射效率Fig.9 Antenna gain and radiation effi ciency

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Acompact mu ltiband mob ile phone antenna for 4G commun ication

SONG Pan,X IE Yanan,PAN Dengke,LIU Zhikun,GENG Li
(School of Communication and In formation Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Anovel compact multiband mobile phone antenna for 4G communication is proposed.Using meandered monopoles and multiple branches,the antenna can resonate in multiple bands.The antenna is compact in size 32 mm×15 mm×0.8mm.It consists of two meandered monopoles both having a length of about 1/4 wavelength.The C-shaped stripresonates at 2 GHz and the F-shaped stripat 900 MHz.The antenna is directly fed by a 50Ωmatching transmission line.The two strips co-radiate by combining and coupling to each other to achieve bandw idth of 810～971 MHz and 1 495～2 786 MHz, covering GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/LTE 2300/2500 and meeting the requirements of mobile phone antenna for 4G communication.Aprototype is fabricated and tested, show ing general agreement between simulation and measurement results.

mobile phone antenna;monopole antenna;compact multiband antenna;4G

TN 828.6

A

1007-2861(2017)04-0535-08

DO I:10.12066/j.issn.1007-2861.1676

2015-07-08

谢亚楠(1962—),男,研究员,博士生导师,研究方向为微波遥感与系统、射频电路等.

E-mail:yxie@shu.edu.cn