多頻段手機天線的設計與測量

孫振

摘 要：基于手機天線的原理，本文通過HFSS高頻仿真軟件對于4G手機的多頻單極子平面天線進行了設計和測量。這種電線由單個輻射臂和兩個耦合枝節(jié)所構成，并且借助于一個U型與一個L型的折彎耦合枝節(jié)來得到多頻的特性。經(jīng)過觀察該天線在857兆赫茲～992兆赫茲和1626兆赫茲～3000兆赫茲的頻爐范圍內(nèi)，其回波損耗均小于-6dB，與此同時該天線具有良好的方向圖特性，可以滿支持移動終端在多個4G頻段的使用要求。除此之外，本文還對天線進行了參數(shù)測量計算從而得到了影響其阻抗的數(shù)據(jù)。通過這類測量來為該類天線的設計提供一定的技術參考。

關鍵詞：手機天線；多頻；手機天線；

隨著科技進步以及我國通信技術的飛速發(fā)展，在手機的生產(chǎn)中設計變得越來越精致，而手機的天線是手機信號的終端設備，因為受到手機尺寸等影響，對于手機天線的尺寸也有了新的要求。但是天線越來越小，其輻射效率也會收到影響而下降。因此一款小巧的手機天線的帶寬與尺寸的有著不同忽視的緊密的關聯(lián)。本次我們需要針對于如何在滿足帶寬要求下實現(xiàn)小型化終端天線這一問題進行思考。通過查閱資料，一款小尺寸三頻段PIFA手機天線，給本設計提供了設計和實驗啟發(fā)。但以往的天線設計無法同時滿足手機天線的小型化和其工作標準要求。因此本文針對于一種緊湊型多頻段內(nèi)置手機天線進行設計構想。具體目標為：設計一款覆蓋：GSM900（880兆赫茲～960兆赫茲），DCS1800（1710兆赫茲～1880兆赫茲）， PCS1900（1850兆赫茲～1990兆赫茲），UMTS2100（1920兆赫茲～2170兆赫茲），LET2300（2305兆赫茲～2400兆赫茲），WLAN/WIFI/Bluetooth（2400兆赫茲～2484兆赫茲），LET2500（2500兆赫茲～2690兆赫茲） 此類七頻段的內(nèi)置手機天線。并且該天線在每個頻段帶寬與回撥損耗都達到標準要求，且各個波段的增益都大于2dB，因此該類天線具有良好的輻射方向圖。

一：天線的基本原理構造

單極子天線垂直于地面或者導電平面架構，因此又可以被稱作直立天線。

此類天線具有極佳的偶極子的良好特點如：帶寬較寬，輻射性能較好且穩(wěn)定的特點。因此此類天線成為了如今手機天線的主要配備。其作用原理為通過電磁場理論的鏡像原理，將無限大的地面看作是天線的另外臂端，通過此種原理等效成理想的偶極子。通過對于理想偶極子的理論的分析思考，借助此理論來推導出單極子天線的輻射場以及遠場方向圖函數(shù)等。

二：設計結構介紹

基于上文所敘述的原理和理論，我們提出了一種適合于多頻段的4G手機天線結構設想，并進行了相關模擬實驗。在實驗中我們借用了FR4材料作為天線介質(zhì)板，以此來模擬手機的材質(zhì)結構。而此類材料：

相對介電常數(shù)εr=4.4

正切介質(zhì)損耗角tanδ=0.024

環(huán)氧樹脂（FR4）介質(zhì)板的尺寸為6cn×12cm×0.08cm。

借助于折彎技術，來實現(xiàn)天線的小巧化。

其中天線貼片尺寸為3.4cm×1.9cm×0.65cm。

實驗中我們使用了銅作為材料，由耦合枝節(jié)與折彎枝節(jié)來組成天線的整體構造。天線的饋電方式則使用了SMA耦合同軸饋電。

具體的天線的結構如圖3、4所示：

因為采用了耦合饋電方式，可以使得低頻段的帶寬增大，主要諧振出低頻段借助于L型枝節(jié)來實現(xiàn)完成，高頻段則由U型枝節(jié)諧振完成。

三：相關的天線參數(shù)測量

本節(jié)通過對天線結構參數(shù)分析計算，以此來測量出天線的自身參數(shù)對天線阻抗性能產(chǎn)生的影響。從而完成影響天線阻抗特性參數(shù)測量。具體通過HFSS微波仿真軟件來對天線進行了多次仿真實驗。經(jīng)過多次實驗后的結果表明，主要尺寸參數(shù)W3與L8是影響天線抗阻特性的主要參數(shù)。

在仿真實驗的過程中，我們控制了實驗的變量保證其他尺寸參數(shù)固定的情況下，單獨針對 W3和 L8其中一個數(shù)值進行改變。

實驗中，W3幾次實驗的取值為0.14cm，0.17cm，0.2cm；

L8幾次取值為0.6cm，0.8cm，1.0cm。

將以上數(shù)據(jù)通過HFSS進行仿真實驗可繪制出回撥損耗曲線圖，如圖5、6所示：

從圖5可以看出，當W3< 0.17cm時，低頻段的諧振頻率處于上升趨勢，不能完成對于GSM900頻段的覆蓋，且高頻段的阻抗匹配會降低；

當0.17cm

從圖6可以得到，對于主要影響高頻段的阻抗匹配的L8尺寸進行實驗可以得知，在 0.6cm到1.0cm的尺寸中，天線的高頻段的阻抗匹配逐漸變佳，且能夠使得低頻段中頻段保持穩(wěn)定，故L8取最優(yōu)值1.0cm。

通過以上的實驗方法，對參數(shù)H和W6進行了靈敏測試。得到結果圖7和圖8。

因此我們可以得知對于天線的高度往往會影響天線的帶寬。當天線的高度采用0.45cm時，則不能完全覆蓋3G頻段中的DCS1800頻段。

四：仿真結果的分析

4.1回波損耗

衡量手機輻功率與阻抗匹配的過程中，其中一個參考就是回波損耗系數(shù)S11，該數(shù)值因為通常駐波比小于3∶1，從而被認為臨界點，并且以此來判斷手機天線輻射性能好壞。

借助HFSS仿真軟件來優(yōu)化單極子手機天線的參數(shù)后，其回波損耗如圖9：通過圖片可以分析出其覆蓋頻段為

4.2增益與方向圖

如表1所示，在880兆赫茲，1750兆赫茲和2500兆赫茲3個典型頻率點中，我們設計的天線實驗結果均>2dB，這一結果與移動終端對天線增益Tab.1的需求相符。通過圖10所展現(xiàn)的880兆赫茲，1750兆赫茲，2500兆赫茲的天線輻射方向圖，我們可以看出天線在水平面輻射圖近似圓形，因此在各個方向具有良好的接收性能，符合實際需求.

五：結論

本文通過對于單極子手機天線的原理進行分析，借助 HFSS仿真軟件作為技術保障。設計了一款多頻段4G單極子手機天線。這類天線集較寬的帶寬，多頻段覆蓋為一體的同時，具有良好的回波損耗系數(shù)，并且在不同頻段中，該手機均有良好的接受性能。同時尺寸較小，滿足當代手機設計的需求，因此具有一定的實際應用價值.

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