小型双频E形缝隙手机天线

褚庆昕 叶亮华

(华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640)

1.引 言

随着现代移动通信技术的迅速发展,具有小型化、宽频带、低成本、易制作等特性的多频天线已经成为现代移动通信系统中最重要的电路组成器件之一,并引起了人们的广泛关注[1-3]。例如,如果要同时覆盖第一代移动通信系统GSM850/900,第二代移动通信系统GSM1800/1900/DCS/PHS/PCS,以及最近推出的第三代移动通信系统 TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000/UMTS等通信频段,就需要天线工作在多个频段。

印刷缝隙天线具有结构简单、加工容易、成本低且易与其他微波电路相集成等特性,引起了天线研究人员的广泛关注。文献[4-5]中提出了几种终端开路的1/4波长缝隙天线,与传统的半波长缝隙天线[6-7]相比,这些天线的尺寸减小了一半左右,但这些天线只工作在单个频段,不能满足多个通信系统的要求。为了使天线工作在多个通信频段,文献[8]提出了一种组合缝隙天线,天线的辐射单元由两个长度不同的半波长缝隙单极子构成,并由它们分别辐射产生两个工作频段,但天线的尺寸较大,不利于实现与前端电路的集成化设计。文献[9]中提出了单个U形缝隙手机天线的设计,该天线由U形缝隙天线谐振产生的1/4和半波长谐振频率分别产生高低频通带,但天线的高低带宽较窄,不能覆盖Bule-Tooth/WLAN 2400和 WiMAX2600通信频段,且天线所占的尺寸也较大。

基于多频缝隙天线的研究,提出了一种E形缝隙多频天线的设计方法,设计了一副工作在GSM900/1800/1900/DCS/PCS/BuleTooth/UMTS/WLAN2400/WiMAX2600等通信频段的手机天线。天线采用E形缝隙作为辐射单元,能在500～3000 MHz产生3个谐振频率并实现了良好的阻抗匹配。E形缝隙的终端开路,且结构紧凑,减小了天线的尺寸,同时,天线在各通信频段内的辐射方向图都具有良好的全向性,具有较好的实用价值。

2.天线设计与仿真

天线印制在一块厚度为1.6 mm、相对介电常数为4.4的FR4印刷电路基板上,天线结构如图1所示。天线的辐射单元为E形缝隙,E形缝隙结构紧凑,且雕刻在地板的顶部,减小了天线的尺寸。E形缝隙天线采用阶梯微带线馈电方式,确保天线在较宽的频带内获得良好的阻抗匹配。天线的地板的长度为94 mm、宽度为40 mm,能满足大部分手机天线的要求。

E形缝隙作为天线的辐射单元,印刷在地板的顶部,中间缝隙枝节(A)终端开路。E形缝隙天线可以分解为三条谐振路径缝隙天线,即从枝节A分别到枝节B和C形成的两条1/4波长开路缝隙天线,和从枝节B到枝节C形成的传统半波长缝隙天线。作为谐振型天线,可以通过调整各谐振路径的设计参数,来控制它们的谐振频率。E形缝隙三条谐振路径的基本谐振频率(分别为 f1、f2和 f3)可以分别通过下面的等式得到

式中:L11、L22和L33分别为谐振路径1、2和 3的总长度;c为光速;εef f为有效介电常数。

根据上面的阐述,这种E形缝隙天线的设计步骤可以概括为如下:首先确定微带线馈电结构的尺寸,使馈电端口的特征阻抗约为50Ω;然后根据等式(1)～(3)确定E形缝隙各谐振路径的初始长度,使各辐射单元能辐射产生给定的谐振频率;最后调整天线其他的设计参数(如 L1、L 2、L3、W1)的尺寸,使天线具有良好的双频特性,满足设计要求。根据上面阐述的设计步骤,首先应用电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线进行了初始化设计,获得天线的尺寸参数如图1所示,天线所占的总尺寸为40 mm×14 mm ×1.6 mm.为了说明各谐振路径的辐射特性,分别对各缝隙天线进行了仿真(对应的设计参数与图1中的尺寸相同),仿真的各缝隙天线的回波损耗如图2所示。从图中可以看出,当只有谐振路径1时,缝隙天线只在低频产生单个谐振频率;当只有谐振路径3时,天线只在高频产生两个谐振频率;当谐振路径1、2和3组合在一起形成E形缝隙天线时,天线能产生3个谐振频率,并由它们形成高低频两个通带。

图2 各缝隙天线的回波损耗

通过电磁仿真软件Ansoft HFSS仿真,图3给出了E形缝隙天线的电流分布情况。从图中可以看出,在低频谐振频率920 MHz时,电流主要聚集在谐振路径1周围,说明920 MHz谐振频率是由谐振路径1辐射产生的,即谐振路径1是低频段辐射单元;在1830 MHz时,电流主要集中在谐振路径2周围,由谐振路径2辐射产生1830 MHz谐振频率;在2380 MHz时,电流主要集中在谐振路径3周围,由谐振路径3辐射产生2380 MHz谐振频率。当1830 MHz和2380 MHz谐振频率耦合在一起时,就形成宽频高频通带,即谐振路径2和3缝隙是天线高频段的辐射单元。从图3中还可以看出,地板上的电流较小,有利于减小地板或其他手机器件对天线性能的影响。

在天线的设计过程中,如果知道天线的尺寸参数的变化对天线性能的影响规律,那么就可以快速有效地完成天线的设计。在不改变天线其他尺寸参数的情况下,我们知道了缝隙宽度对天线回波损耗的影响,如图4所示。从图中可见,缝隙宽度W1的变化对天线低频段影响不大,但对高频段影响较大,随着W1的增大,高频通带的阻抗匹配得到改善。从上面的分析可以看出,通过改变缝隙天线的宽度,可以改变高频通带的阻抗特性。

图4 缝隙天线宽度对天线性能影响

从上面的分析中可见,作为天线的辐射单元,E形缝隙的长度必定会对天线的输入特性产生影响。因此,有必要研究E形缝隙的尺寸参数对天线性能的影响。图5研究了天线的输入特性随E形缝隙的尺寸参数L1、L 2、L3变化的频率特性曲线。从图中可以看出,随着L 1的增大,天线的第一个谐振点往高频移动,而第二个谐振频率点向低频移动,这与表达式(1)和(2)相符合,即通过改变 L 1的长度,可以有效地控制天线的第一个和第二个谐振频率;随着L2的增大,天线的低频通带向低频移动,而高频影响较小,这与等式(1)相符,即改变 L 2的尺寸,可以有效地控制低频谐振频率;在其他尺寸不变的情况下,当L3增大时,第二个谐振频率向低频移动,与等式(2)相符。从图5中可见,通过改变L1、L2、L3的数值,可以有效地控制天线的各谐振频率,改善天线的阻抗匹配。

3.实验结果分析

为了验证这种天线设计方法的有效性,基于图1给出的天线尺寸,制作天线的样品(实物如图6所示),使用HP 5320A网络分析仪对天线的输入特性进行了测试,天线仿真和实测的回波损耗如图7所示。从图中可以看出,仿真和实测的结果基本吻合,天线实测高低频段阻抗带宽分别为 870～965 MHz和1700～2720 MHz,能覆盖 GSM 900/1800/1900/DCS/PCS/BuleTooth/UMTS/WLAN2400/WiMAX2600等通信频段。

图6 天线实物照片

测量了天线在900 MHz、2000 MHz和 2500 MHz频率点上的E面(xz平面)和H面(xy平面)方向图,如图8所示。天线在H面具有比较好的全向性,可收发各个方向的信号。仿真和测量的辐射方向图基本吻合,但有一定差异,这是因为天线是在室外测试系统测量的,会受到周围物体、天气因素等影响。天线的增益如图9所示,在低频段(860～960 MHz)的增益大约为1.6～1.9 d Bi,在高频段(1700

4.结 论

提出了一种双频E形缝隙天线的设计,实测的高低频阻抗带宽分别为870～965 MHz和1700～2720 MHz,实现了双频宽频带设计。天线的结构简单、制造容易、成本低,而且具有较小的体积和较低的剖面尺寸,有利于实现与前端电路的集成化设计。同时该天线具有比较好的辐射方向特性,是一种性能较好、具有实用价值、能广泛应用于各种移动通信系统中的手机天线。

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