一種共面結(jié)構(gòu)的4G手機(jī)天線研究

孫建忠 裘國華

（中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著新一代移動(dòng)通信的快速發(fā)展，以及LTE標(biāo)準(zhǔn)的興起，移動(dòng)通信系統(tǒng)正向著4G時(shí)代穩(wěn)步邁進(jìn)。TD-LTE是我國自主創(chuàng)新的4G技術(shù)，與歐洲主導(dǎo)的FDD-LTE技術(shù)一起被國際電信聯(lián)盟確立為兩大國際4G標(biāo)準(zhǔn).我國已將2500-2690MHz共190MHz的頻譜資源全部劃分給TD-LTE， 英國等部分運(yùn)營商使用2.6GHz和3.5/3.6 GHz頻段布署LTE網(wǎng)絡(luò)，美國、加拿大、澳大利亞、智利等國家已批準(zhǔn)700MHz頻段用于LTE，我國也已將700MHz和3.5GHz頻段列入未來規(guī)劃。如此多的頻段，使得傳統(tǒng)的手機(jī)天線已經(jīng)不能滿足4G無線通信需求.如今，多頻、寬頻帶和低剖面已經(jīng)成為4G手機(jī)天線設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。 近期，學(xué)者們已經(jīng)提出了各種寬帶手機(jī)天線，例如PIFA天線[1-2]，印刷環(huán)形天線[3]，印刷單極子天線[4-7]，縫隙天線[8]，可重構(gòu)天線[9-10]。

本文提出一種適用于4G手機(jī)的平面天線。 該天線采用接地板共面結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)約空間，易于實(shí)現(xiàn)手機(jī)的小型化，通過多枝節(jié)連接地板結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展帶寬，從而實(shí)現(xiàn)寬頻特性，利用接地枝節(jié)耦合，形成分布式電感，調(diào)節(jié)阻抗匹配，改善低頻和高頻段的性能.通過對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，獲得天線最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并完成加工與測試。 研究表明， 該天線可以產(chǎn)生 0.75GHz、2.6GHz 和 3.5GHz 三個(gè)諧振頻率點(diǎn)，工作頻段為 0.69GHz～0.82GHz 和 2.49GHz～4.06GHz， 很好地覆蓋了4G無線通信的主要頻段，可以滿足4G手機(jī)的工作需求。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的接地板共面結(jié)構(gòu)的4G手機(jī)天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)材料作基體，大小為120mm×60mm，厚度為1.6mm，A點(diǎn)為饋電點(diǎn)，B點(diǎn)為短路點(diǎn)。 與饋電點(diǎn)相連的是一個(gè)由矩形減去一個(gè)小矩形而成的輻射振子，與短路點(diǎn)相連的是一段迂回枝節(jié)，迂回枝節(jié)的右側(cè)由三段枝節(jié)與接地板相連.接地板的左上角設(shè)有接地迂回枝節(jié)，形成分布電感，用于調(diào)節(jié)阻抗匹配。

1.2 天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2為天線分別在左側(cè)無接地枝節(jié)（形狀1）、只有一段接地枝節(jié)（形狀2）和帶有接地迂回枝節(jié)（形狀3）時(shí)的仿真曲線圖，由圖可知，當(dāng)天線沒有接地枝節(jié)時(shí)，低頻段的諧振頻率點(diǎn)約為1.13GHz，中頻段有多個(gè)諧振點(diǎn)，6dB 阻抗帶寬為 2.49GHz～3.38GHz.當(dāng)天線只有一段接地枝節(jié)時(shí)，低頻段的諧振點(diǎn)為0.77GHz，該諧振點(diǎn)處的回波損耗為-10.4dB，中頻段的諧振點(diǎn)為 2.61GHz，高頻段的諧振點(diǎn)為 3.62GHz，6dB阻抗帶寬為 2.51GHz～4.07GHz。 當(dāng)天線帶有接地迂回枝節(jié)時(shí)，低頻段的諧振點(diǎn)為0.75GHz，該諧振點(diǎn)處的回波損耗為-14.2dB，中頻段的諧振點(diǎn)為2.60GHz，高頻段的諧振點(diǎn)為 3.49GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋2.49GHz～4.06GHz.接地迂回枝節(jié)的長度 L2對天線性能的影響如圖 3所示。 由圖可知， 當(dāng) L2的長度依次為 12.5mm、13.5mm、14.5mm 時(shí)，高頻段的諧振點(diǎn)依次為 3.52GHz、3.49GHz、3.41GHz，而低頻段和中頻段的變化不明顯。 對比可知，接地迂回枝節(jié)能夠很好地調(diào)節(jié)阻抗匹配，改善低頻和高頻段的性能，使天線滿足4G無線通信需求。

右側(cè)接地枝節(jié)對天線性能的影響如圖4所示。 圖4（a）可見，當(dāng)天線右側(cè)沒有接地枝節(jié)或只有上端接地枝節(jié)時(shí)（形狀4和形狀5），6dB阻抗帶寬都比較窄，低頻段和中頻段的諧振點(diǎn)都不處于4G無線通信頻段。當(dāng)天線右側(cè)只有中間接地枝節(jié)時(shí)（形狀6），低頻段諧振點(diǎn)為0.72GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋0.67GHz～0.78GHz，中頻段和高頻段的諧振點(diǎn)分別為 2.59GHz 和 3.37GHz，6dB 阻抗帶寬能夠覆 2.49GHz～3.94GHz.當(dāng)天線右側(cè)只有下端接地枝節(jié)時(shí)（形狀7），低頻段諧振點(diǎn)為0.73GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋0.68GHz～0.82GHz，中頻段和高頻段的諧振點(diǎn)分別為 2.75GHz 和 3.58GHz，6dB 阻抗帶寬 能 夠 覆蓋 2.47GHz～3.97GHz.圖4（b）表明當(dāng)天線右側(cè)有兩段接地枝節(jié)時(shí)（形狀8、形狀9、形狀10），低頻段諧振點(diǎn)均在0.75GHz附近，6dB阻抗帶寬均為100MHz左右，中頻段諧振點(diǎn)均在2.6GHz附近，高頻段諧振點(diǎn)均在3.4GHz附近，6dB阻抗帶寬均能基本覆蓋4G無線通信主要頻段.研究結(jié)果表明天線右側(cè)的接地枝節(jié)可以較好地改善阻抗匹配，擴(kuò)展帶寬，使天線滿足4G無線通信需求.天線經(jīng)優(yōu)化后，最終確定的尺寸參數(shù)為：L=99mm,L1=5.5mm,L2=13.5mm,L3=15mm,L4=11mm,L5=38mm,L6=17mm,L7=12mm,L8=6mm,L9=13mm,L10=9mm,L11=11mm,L12=46mm,L13=5mm,W=60mm,W1=3mm,W2=11mm,W3=5mm,W4=6mm。

2 天線制作與測試結(jié)果分析

本文加工制作的接地板共面結(jié)構(gòu)的4G手機(jī)天線如圖5所示。利用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀R3765CH對所加工天線進(jìn)行測試分析，結(jié)果如圖6所示.仿真軟件得到天線在低頻段諧振于0.75GHz，工作頻段為0.69GHz～0.82GHz，中頻段和高頻段分別諧振于 2.60GHz 和 3.49GHz，工作頻段為 2.49GHz～4.06GHz。 實(shí)際測試結(jié)果為：天線在低頻段諧振于 0.778GHz，工作頻段為 0.724GHz～0.844GHz，中頻段和高頻段分別諧振于 2.528GHz 和 3.501GHz， 工作頻段為 2.328GHz～3.620GHz 頻段。 測試與仿真結(jié)果存在細(xì)微差異，主要是由于SMA接頭存在損耗，和實(shí)際測試環(huán)境中存在一定的電磁干擾所致。

圖7 所示為 0.75GHz、2.6GHz、3.5GHz 處的天線測試的 E 面和 H面場圖。 由圖可知，天線的增益分別為 2.7dBi、4.9dBi和 5.3dBi，同時(shí)也表明天線具有較好的全向性。

本文提出一種適用于4G無線通信的共面結(jié)構(gòu)的平面天線，并對其進(jìn)行了仿真與加工測試。研究結(jié)果表明該天線的第一個(gè)中心頻率為 0.75GHz，頻帶寬度為 130MHz（0.69GHz～0.82GHz），天線增益為 2.7dBi； 第二個(gè)和第三個(gè)中心頻率分別為 2.6GHz和 3.5GHz，頻帶寬度為 1570 MHz （2.49GHz～4.06GHz）， 天線增益分別為 4.9dBi和5.3dBi。該天線能很好地滿足4G無線通信頻段標(biāo)準(zhǔn)，在4G無線通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。S

［1］薛兆喜,姜興.超薄手機(jī)中PIFA天線的設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(1):14-18.

［2］S.Ghosh,T.N.Tran and T.L.Ngoc.Miniaturized four-element diversity PIFA[J].IEEE Antennas and wirless propagation letters,2013,12:396-400.

［3］F.H.Chu and K.L.Wong.Internal coupled-fed dual-loop antenna integrated with a USB connector for WWAN/LTE mobile handset[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2011,59(11):4215–4221.

［4］褚慶昕,李健鳳,葉亮華.小型寬帶低地面影響的平面手機(jī)天線設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào),2011,39(8):1919-1922.

［5］王利紅,張文梅,閆麗云,等.用于超薄手機(jī)的小型多頻寬帶平面天線的研究與設(shè)計(jì)[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2013,27(1):41-45.

［6］Y.H.Cui,R.L.Li.A Novel Broadband Planar Antenna for 2G/3G/LTE Base Stations[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2013,61(5):2767-2774.

［7］W.S.Chen,W.C.Jhang.A Planar WWAN/LTE Antenna for Portable Devices[J].IEEE Antennas and wirless propagation letters,2013,12:19-22.

［8］操瑞鑫,葉明,倪楊.應(yīng)用于帶有閉合金屬邊框手機(jī)的縫隙天線[J].電訊技術(shù),2012,52(6):956-959.

［9］Y.Li,Z.J.Zhang,J.F.Zheng,and Z.H.Feng.Compact heptaband reconfigurable loop antenna for mobile handset[J].IEEE Antennas and wirless propagation letters,2011,10:1162-1165.

［10］Y.K.Park and Y.Sung.A Reconfigurable Antenna for Quad-Band Mobile Handset Applications[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2012,60(6):3003–3006.