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小型化超宽带十频段移动终端天线设计探究

2020-05-13 275 上传者：管理员

摘要：研究了小型化双层微带天线频带展宽的方法，设计了一款小型化超宽带十频段LTE/WWAN手机天线，天线尺寸仅有36mm×8mm×0.8mm。该天线通过地枝节耦合技术拓宽高频带宽，再通过集总加载技术调节阻抗匹配，拓宽低频带宽。测试结果表明，该方法能有效展宽天线带宽，能够覆盖LTE700/GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500八个频段，并且满足Bluetooth及WIFI频段内S11小于-10dB的要求，与传统手机天线相比具有尺寸更小、易调谐、结构简单等优点，具有良好的辐射效率和辐射增益。

关键词：
LTE/WWAN
互联网
小型化
手机天线
超宽带
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随着无线通信技术的飞快发展，小型化、多功能、快传输已经成为移动设备的新特点[1,2,3,4]。昔日的手机天线功能单一、体积大、频段少，已不能满足现行智能化、高效率、服务多的通信业务需求，新一代移动通信不仅要频带宽、功能多，还要兼容2G、3G通信业务，设计要求越来越高。利用可重构技术能够解决多频段、小型化的问题，传统的单极子天线[5,6]采用增加结构的复杂度和增加天线的尺寸来拓展天线的带宽和频率，但天线尺寸较大，这对手机天线的小型化设计显得非常困难。文献[7,8]给出了利用手机金属边框设计的天线，天线通过添加匹配电路或滤波器实现频带覆盖，但引入的电容、电感又增加了天线设计的复杂性，不利于系统的集成。文献[9,10]给出了超宽带、窄边框折叠天线，天线枝节采用立体结构，不利于加工。针对以上天线设计的不足，本文以实现手机天线小型化、多频带、超宽带为目的，设计了一款小型化超宽带十频段LTE/WWAN手机天线，天线尺寸只有36mm×8mm×0.8mm。与已有文献的天线覆盖频段和尺寸相比，该天线具有较大的优势。

1、天线结构与设计

天线的整体结构如图1(a）所示。介质基板整体为C型槽结构，为相对介电常数ε=4.4、损耗正切值tanδ=0.02、厚度为0.8mm的环氧树脂（FR-4）。介质基板正面印刷了梯型结构的单极子天线，背面则从参考地板引出了两条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。如图1(b）所示，该天线采用50Ω同轴线馈电，A为馈电口，B为短路点，C点为加载的电感L。

微带线激发的谐振频率公式：，其中c为真空中的光速，f0为产生的谐振频率。Lf和Wf分别为微带线的长和宽，很明显微带线的宽度可以忽略不计，该公式可以近似写成f0=c(4Lf)。可以发现，微带线激发的谐振频率与微带线的长度成反比。图中单极子天线为两边不对称梯型结构，整体尺寸小，在高频段1600MHz、3600MHz处产生两个谐振。在参考地板引出两条带线后，右侧高频谐振点向左偏移至2560MHz，覆盖DCS1800/PCS1900/UMTS2100及LTE2300/2500，并且满足Bluetooth及WIFI频段内S11小于-10dB的要求。带线1、2的长度均在60mm左右，由于带线2距离单极子天线较近，耦合后电流路径加长，在800MHz处产生了谐振，带线1为外围耦合枝节，其长度受到参考地板的限制，只能在1030MHz处产生谐振，低频段匹配较差。

天线谐振频率与等效电容、等效电感间的关系为

其中，C为等效电容，L为等效电感。

为了解决低频覆盖问题，由（1）式可知，在带线合适位置加载电感或电容，通过改变其数值大小可以调节天线谐振频率，从而展宽低频带宽，覆盖LTE700/GSM850/900。采用AnsoftHFSS17软件进行仿真，通过一系列优化，得出了天线尺寸参数如表1所示。

表1天线尺寸参数表（单位：mm)

图2所示为天线设计过程及S11仿真结果。首先，在C型介质基板正面上设计一梯型单极子天线，记为天线#1，然后在背面的金属板上引出带线1就构成了天线#2，很明显此时在高频段阻抗匹配较好；其次，引出带线2形成天线#3，此时在低频段产生2个谐振，但是谐振点相距较远；最后，在带线1的C点加载1.5nH的电感（天线#4），使得谐振频率整体向左偏移，从而满足了设计要求。

2、实测结果与分析

通过仿真优化后，将天线模型加工制作成实物，如图3所示。用矢量网络分析仪AgilentN5247A及微波暗室对实物进行测试，天线S11及效率、增益如图4所示。由图4(a）可知，实测与仿真的S11基本吻合，在高频段存在的有限偏差主要由模型加工精度及测试环境等因素造成。实测带宽为653MHz～1014MHz和1532MHz～2726MHz，低频相对带宽为43%左右，高频相对带宽为56%左右，能够覆盖LTE/WWAN以及Bluetooth/WIFI所有频段。天线效率及增益测试结果如图4(b）所示，天线实测辐射效率及增益在43%～52%和1.5dBi～2.3dBi之间变化，能够满足目前手机通信应用的要求。

图1天线结构图

图3实物图

图2不同天线结构S11仿真

图4天线S11及效率、增益图

图5为850MHz、1850MHz和2500MHz三个谐振频率点的天线表面电流分布图。由图可知，低频段850MHz表面电流主要分布在带线2上；频率在1850MHz时，谐振模式主要由梯型单极子天线激发；而2500MHz表面电流主要分布在带线1上。

对天线的辐射特性进行了测试，如图6所示为850MHz、1850MHz和2500MHz这3个谐振频率在y-z面和z-x面的辐射方向图。对比分析图中主极化Eθ和交叉极化Eϕ，可以看出天线辐射方向基本呈现全向辐射，设计的天线具有较好的极化特性和方向性，也具有稳定的辐射性能。

文中天线和文献中天线的体积、厚度及频段覆盖比较如表2所示。由表2可知，本文设计的天线尺寸最小，覆盖的频段最多；天线结构简单，采用印刷工艺，易于加工制作。该天线由于介质板采用了C型结构，天线位置相对独立，覆盖频率受外界影响较小，在后续的研究中，还可依托该C型结构，增加5G频段覆盖范围，设计几款4G/5G手机天线。

图5表面电流分布图

表2天线的体积、厚度及频段覆盖比较

图6天线辐射方向图

3、结束语

本文设计了一款小型化超宽带十频段LTE/WWAN手机天线，天线尺寸仅有36mm×8mm×0.8mm。实测-6dB阻抗带宽为653MHz～1014MHz和1532MHz～2726MHz，能够覆盖LTE700/GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500八个频段，且满足Bluetooth以及WIFI频段S11小于-10dB；实测辐射效率及增益在43%～52%和1.5dBi～2.3dBi变化。该天线具有体积小、频带宽、馈电方便及结构简单等特点，在小型化、便携式移动设备中具有较高的应用价值。

参考文献：

[1]杨明,周金芝.移动终端小尺寸平面LTE/WWAN天线设计[J].安庆师范大学学报(自然科学版),2017,32(2):15-18.

[3]孙玉发,胡少启,周东,等.一种小型化八频段可重构手机天线设计[J].电波科学学报,2015,30(6):1170-1181.

杨明,周金芝,刘富晨,马志远.小型化超宽带十频段移动终端天线设计[J].安庆师范大学学报(自然科学版),2020,26(02):69-73.