一种新型小型化十一频段手机天线设计

杨　明， 孙玉发

(1. 安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥 230039;2. 亳州学院 电子与信息工程系，安徽 亳州 236800)

随着无线通信的飞速发展，应用在手机的频段也越来越多．便捷、兼容、高速传输已经成为移动终端不争的事实，而这对手机内置天线多频段、小型化、超宽带的设计也提出了更高的要求．2013年12月，工信部颁布了国内手机4G运营牌照，明确了新一代移动通信的频段划分，即在频段内划分为频分双工(Frequency Division Duplexing-Long Term Evolution，FDD-LTE) band3及时分双工(Time Division-Long Term Evolution，TD-LTE) band38/39/40/41，这使得新一代移动通信不仅要频率高、频带宽，还要与2G、3G无线通信兼容．天线作为移动终端的重要收发器件，其设计要求也不断提高．为了提高手机天线的各种性能，小型化、超宽带、可重构和多频段[1-5]等技术得到了广泛运用．除此之外，还存在其他的结构形式，文献[6-8]给出了利用金属边框设计的LTE手机天线，天线主要通过滤波器或者添加匹配电路来实现，并引入了大量的电感、电容，从而增加了天线设计的复杂性．文献[9-10]给出了小型化的折叠环形天线，天线枝节采用立体架构，设计相对复杂．文献[11]给出了一种应用在长期演进(Long Term Evolution，LTE)/无线广域网(Wireless Wide Area Network，WWAN)的智能手机双天线系统，实现了 702～ 968 MHz， 1 698～ 2 216 MHz 以及 2 264～ 3 000 MHz 频段覆盖，该天线为双天线结构，天线之间加入交叉中和线来提高隔离度，但这对手机天线小型化的实现显得非常困难．以目前商用三星S8为例，手机采用LTE四天线、无线保真(Wireless-Fidelity，WiFi)双天线设计，天线占用手机内部空间大，信号干扰强，结构复杂．

以上天线的设计虽然能够满足带宽、增益以及辐射方向性，但依托地板设计的天线体积大，电路结构复杂，不利于加工;依托手机外壳设计的天线，引入了匹配电路，增加了天线设计的复杂性．针对以上天线设计的不足，笔者以实现手机天线小型化、超宽带、多频带为目标，通过地枝节耦合以及环形腔体技术缩小天线尺寸、拓宽带宽，再利用加载电感提升低频性能，实现多天线融合，设计了一款新型的小型化十一频段手机天线，与传统终端多频手机天线相比，该天线能覆盖LTE/WWAN八频段以及全球定位系统(Global Position System，GPS)、WiFi、蓝牙(Bluetooth)这3个频段，尺寸只有 37.0 mm× 7.2 mm．与已有文献的天线尺寸和覆盖频段相比，文中设计的天线具有较大的优势．

1　天线结构和设计

1.1　天线的结构

天线的结构及实物如图1所示，具体尺寸如表1所示．介质基板材料采用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为 0.8 mm 的环氧树脂(FR-4)，整体为C形槽结构．天线分布在右下角位置，尺寸为 37.0 mm× 7.2 mm．单极子天线为环形腔体结构，印刷在介质基板正面，在背面地板上引出3条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽．

图1　天线结构及实物图

一般情况下，单极子天线主要通过同轴、微带线、电磁耦合以及共面波导等方式馈电[12-16]，考虑到文中天线结构的特殊性，单极子天线和参考地板分别印刷在介质基板两侧，采用 50 Ω 同轴线馈电最为合适，同轴线外屏蔽层焊接在地板上，内导体穿过电路板焊接在馈电端口，图1(b)中标注的A点为馈电端口，B点为接地点．

1.2　天线的设计

为最大限度地缩小天线尺寸，首先在介质基板正面设计一独立的单极子天线，记为结构1．通过仿真可知，单极子天线在 0.75 GHz、1.43 GHz 和 2.60 GHz 这3点产生谐振，可以满足高频段的要求，这也为低频段的后期设计提供了良好的开端．

为了拓宽低频段带宽，并通过弯折技术缩小天线的尺寸，在地板上引出了一条长为 65.0 mm 的耦合带线(带线1)，连同单极子天线记为结构2，该结构使低频谐振点 0.75 GHz 向高频偏移至 0.90 GHz．对结构2进行仿真分析，发现表面电流主要分布在馈电点附近，为此，在靠近结构2端口处引出第2条带线(带线2)，记为结构3，在低频段产生的两个谐振模式相互叠加，阻抗匹配好转，也拓宽了低频段带宽．

通过分析天线各辐射枝节和表面电流分布对天线性能影响，继续拓宽低频段带宽，在带线1和带线2之间再添加第3条带线(带线3)，记为结构4．由于带线3和带线1尺寸接近，导致这两个枝节产生的谐振点重合，所以3条枝节只能在低频段产生两个谐振点．天线谐振频率与等效电感、等效电容间的关系为

表1　天线尺寸参数表 mm

f0=1/(2π(LC)1/2),

(1)

其中，L为等效电感，C为等效电容．

由式(1)可知，天线谐振频率的偏移，可以通过改变加载的电感或电容值来调节．为此，在如图1所示的C点处引入电感，记为结构5，通过逐步增加电感值，使带线2和带线3的谐振点向低频移动，从而展宽低频带宽．

图2(a)、(b)为天线设计过程中各种结构的S11仿真结果对照图．图2(c)、(d)为结构5中不同电感值对S11性能的影响图，其中右图为低频段放大图．由图2可见，当电感逐渐增加时，低频谐振点向低频偏移，3条带线对应产生的3个谐振点逐步向低频展开并显现出来．采用Ansoft公司的高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)13.0软件对天线优化，且当电感L= 2.4 nH 时，得到最优的结果．

图2　各种天线结构以及结构5中不同L值的S11仿真结果

2　关键参数分析

为使天线能够完全覆盖704～960 MHz和 1 710～ 2 690 MHz 频带，在天线结构设计过程中首先需要确认对工作频带产生影响的关键参数，通过优化关键参数，最终得到满足需求的天线结构．如图1(b)所示，关键参数主要有带线1沿y方向W3的长度、沿x方向g7的厚度以及带线3沿y方向W9的长度，下面进行逐个讨论．

图3为关键参数对天线S11的影响图．图3(a)给出了不同W3对S11的影响，W3对低频段以及高频段都有较大影响．增大W3，能够使谐振点整体向高频偏移，同时能够拉低谐振频率，拓宽频段带宽；但继续增大W3，低频带阻抗匹配效果变差．图3(b)中W9对高频段谐振频率影响较小，对低频谐振频率影响较大．增大W9，低频段带宽拓宽；但随着W9的继续增大，谐振点向低频偏移，低频带上限被拉低，阻抗匹配效果不佳，不能满足低频带宽要求．图3(c)给出了不同g7对S11的影响，g7对低频段谐振频率影响较大，减小或增大g7，均影响低频带阻抗匹配，优化后折中取值．

图3　不同关键参数值对天线S11的影响

通过以上分析，总结出该天线频带调节的方法，首先调节带线1的整体长度，使天线高频段带宽能够覆盖DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500；然后调节带线2和带线3相应的长度和厚度，稳定低频段的上限；再调节W9和g7，拓展低频段下限，优化低频带阻抗匹配，使低频带宽能够覆盖LTE700/GSM850/900．优化后的关键参数 (W3= 37.0 mm，W9= 5.1 mm，g7= 0.4 mm) 使天线在S11小于 -6 dB 情况下能够覆盖LTE/WWAN的8个频段，并且满足GPS、WiFi以及Bluetooth频段内S11小于 -10 dB 的要求．

3　实测结果与分析

如图1(c)所示，天线介质基板被做成C形槽结构，镂空的C形结构可以给手机电池预留空间，进一步缩小手机机身的厚度．利用微波暗室及矢量网络分析仪Agilent N5247A对实物进行测试，天线S11以及增益、效率测试结果如图4所示．

图4　天线S11以及增益、辐射效率图

由图4(a)可见，实测和仿真结果基本吻合，实测结果在高频段带宽变窄，带宽为 682～ 962 MHz 和 1 460～ 2 875 MHz，能够覆盖LTE/WWAN以及GPS/WiFi/Bluetooth所有频段，满足设计要求．天线增益、辐射效率仿真和测试结果如图4(b)所示．由图4可知，增益及效率实测比仿真结果略低，低频段天线实测增益在 1.5 dBi 左右，实测辐射效率在45%～52%之间；在高频段，天线实测增益在 2.0 dBi 左右变化，辐射效率在48%～53%之间，能够满足手机通信系统的应用需求．存在的偏差主要由加工工艺、精度、测试环境以及FR-4介电常数的不稳定性等因素造成．

图5给出了0.72 GHz、0.87 GHz、2.25 GHz以及2.50 GHz谐振点的天线表面电流分布图．由图5可知，低频段 0.72 GHz 表面电流主要分布在带线1、带线2以及带线3上；0.87 GHz 表面电流主要分布在带线3和带线2上；高频段频率在 2.25 GHz 时，谐振模式则主要是由带线3激发产生的；频率在 2.50 GHz 时，谐振模式则是由带线2以及带线3共同激发产生的．

图5　不同频率的天线表面电流分布图

图6　天线辐射方向图

对天线辐射特性进行了仿真和测试，图6给出了天线在0.76 GHz、1.80 GHz以及2.50 GHz这3个频点在x-y面、y-z面和z-x面的辐射方向图．由图可知，主极化Eθ在低频段变化平稳连续，基本呈现全向辐射，在高频段x-y面有一定的畸变，这主要由于各枝节之间电磁干扰、多模谐振等因素影响所致．通过对比分析图中主极化Eθ和交叉极化Eφ，可知文中设计的天线具有较好的方向性和极化特性，能满足手机天线方向性要求，具有良好的应用前景．

4　结 束 语

文中设计了一款新型的小型化十一频段手机天线，该天线尺寸仅有37.0 mm×7.2 mm．实测结果表明，该天线 -6 dB 阻抗带宽为 682～ 962 MHz 和 1 460～ 2 875 MHz，能够覆盖LTE/WWAN的8个频段，并且满足GPS、WiFi以及Bluetooth这3个频段S11小于 -10 dB 的要求．天线低频段增益在 1.5 dBi 左右变化，辐射效率在45%～52%之间；高频段增益在 2.0 dBi 左右变化，辐射效率在48%～53%之间．该天线具有结构新颖、体积小、馈电方便、频带宽等特点，在便携式、小型化移动通信设备中具有较高的实用价值．

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