基于紧凑耦合的平面印刷单极子手机天线设计

胡海峰，姜 宇

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

随着移动通信的迅猛发展和智能手机的日益普及，手机天线设计遇到了越来越多的挑战.这就要求手机不但具有良好的兼容性，而且对于手机内置天线提出了更高的要求，既要满足小型化，同时应能工作于多频段.平面内置单极子天线具有小尺寸、宽频带、低剖面、重量轻且后向辐射小等优点而成为目前小型化、多频带内置天线的主要形式[1-2].

对于手机内置天线的研究，很多研究者都做了大量的工作，文献[3-5]设计了能同时工作在双频段或三频段的小型化手机天线，可满足当前手机频段的要求，但是不能满足未来对LTE的发展要求.文献[6-7]采用印刷式平面天线，可以应用在LTE、GSM和DCS等频段上，但是他们占用了手机中的较大面积，在手机电路布局时留下了很多困难.文献[8-9]采用折叠或弯曲贴片技术来解决面积占用问题，但是这样覆盖的频段范围比较少.另外，在多频段天线的设计中，也有通过对地面修正等措施获得良好的匹配效果.

本文基于寄生枝节紧凑耦合方法设计一款平面印刷单极子手机天线，在单极子天线基础上加入一个寄生枝节实现多频带特性.传统的寄生枝节一般要比平面单极子短的多，且仅枝节的一部分与平面单极子耦合，本文设计的天线中的寄生枝节和传统的设计不同，它的长度和平面单极子几乎相等，实现了寄生枝节和平面单极子大部分耦合，共同激发低频段谐振中心频率950 MHz(覆盖868～1 046 MHz)以及高频段谐振中心频率2.25 GHz(覆盖1 673～2 921 MHz).这两个频段的覆盖带宽十分理想，因而可以涵盖GSM900 /GSM1800/1900/UMTS及LTE2300/2500频段，本文设计的天线结构尺寸较小，便于手机整体设计组装.

1 天线设计方案

图1为天线结构图，天线辐射单元由一个双臂主辐射枝节、一个双臂寄生枝节以及馈电单元构成.与传统的寄生枝节有所不同，该天线的寄生枝节大部分都与单极子枝节紧凑耦合，两臂长度与主辐射枝节相仿但均有所差异，目的是增加不同频段的电流路径，影响主辐射枝节的谐振频率从而达到要求的频率覆盖范围.

图1 天线结构图

此模型采用1 mm厚的FR4材质基板，尺寸为110×55 mm，镂空部分面积为15×55 mm2，被激励的单极子枝节与寄生枝节设计在镂空部分的边缘上方，结构上十分紧密，第一段耦合带隙宽gap1=0.1 mm，第二段耦合带隙宽gap2=0.2 mm，两条耦合带隙提供更灵活的空间来调整天线的容性耦合，由此易于在相应带宽上获得良好的阻抗匹配.

单极子枝节和寄生枝节的右臂长度尺寸都接近950 MHz的1/4波长，但又稍有不同，两个辐射枝节的谐振基频一条稍高于950 MHz，另一条略低于950 MHz，期望二者耦合下能够得到一个良好的低频段匹配.类似的，单极子枝节和寄生枝节的左臂长度尺寸都接近2.25 GHz的1/4波长，两个辐射枝节的谐振基频一条稍高于2.25 GHz，另一条略低于2.25 GHz，期望二者耦合下能够得到一个更宽带宽的高频段匹配.另外，单极子枝节和寄生枝节的左臂可以在2.33、2.45、2.5 GHz处产生3个高次谐振点，与2.25 GHz一次谐振点共同作用，可为平面单极子天线提供超宽的高频带宽.

2 仿真结果分析

本文通过CST仿真软件进行数值模拟，首先对天线的性能及阻抗特性进行了验证，然后通过数值模拟优化，得到一组最佳的天线尺寸，最终设计出一个新型的低剖面、宽频带手机天线.

图2为天线的回波损耗仿真结果图，根据VSWR大于3∶1或回波损耗小于-6 dB的手机天线性能参照标准，低频段覆盖了868～1 046 MHz，绝对带宽为178 MHz，满足GSM900的频带覆盖要求.高频段覆盖了1673～2 915 MHz，绝对带宽为1 242 MHz，满足GSM1800/1900/UMTS/ LTE2300/2 500的频带覆盖要求.因此该天线覆盖了GSM900/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500频段，满足大部分手机通信频段的要求.

图2 天线回波损耗仿真结果

为了分析所提出天线的良好性能，图3给出了设计的天线以及参照天线(未加入寄生耦合枝节)的回波损耗的对比仿真图.

图3 与参照天线回波损耗仿真结果对比

如图3所示，未加入寄生枝节的天线低频谐振点在950 MHz，其带宽不能覆盖880～960 MHz的频带要求，同样，高频谐振点在2 050 MHz附近，更不能满足1 710～2 690 MHz的频带要求.当天线加入寄生枝节后，低频段带宽有明显改善，额外的600 MHz可用带宽在高频段产生，高频谐振点位移至2 250 MHz，另外，单极子左枝节与寄生左枝节共同激发了三个高阶共振频率在2 330、2 450、2 500 MHz，激发了一条高阶共振宽频带(1 673～2 915 MHz)，且匹配情况良好.下面对该天线的参数尺寸对天线S参数的影响进行探讨.

2.1 主辐射枝节L3对S11参数的影响分析

首先讨论主辐射枝节L3对S11参数影响，由于L3的长短决定右枝节的长度，直接影响到一次谐振频率的大小，在其他参数不变的情况下，随着L3变长S11曲线应该向更低谐振频带靠近，实际仿真情况和理论分析相符，如图4(A)所示.另外，从图4(B)中观察到L3对高频段影响很小.综合上述考虑L3最终优化取值38 mm.

图4 主辐射右枝节L3对S11的影响

2.2 耦合缝隙宽度w对S11参数的影响分析

w为单极子枝节与耦合枝节右侧边缘间的距离，通过对不同w值的对比可以看出，其对高频段的影响很小；对于低频段随着w的增大，谐振频率略微向高频处偏移，这里主要由于w的变化影响耦合右枝节总长度，从而改变低频段的中心频率，分析得出w的变化对于单极子与寄生枝节间的耦合程度没有影响.经优化w最终取值5 mm.见图5.

Gap1决定了寄生枝节与主辐射枝节的耦合强度，从图6中观察得出，随着Gap1的减小，低频段中心频率左移，靠近理想中心频率950 MHz.当Gap1=0.1 mm时，在2.5 GHz附近产生多个新的谐振点，与2.3 GHz的谐振中心频率相互结合，增宽了高频段近500 MHz带宽，且在频带1.7～2.0 GHz的匹配情况变好，不再产生抖动，使天线性能更加稳定.分析可知，当Gap1减小时，寄生枝节与主辐射枝节之间的耦合增强，增大了耦合电容，对输入电阻产生了补偿.

图5 w对S11参数的影响

图6 寄生枝节与辐射直接间距L5对S11参数影响

2.3 接地板长度L对S11参数的影响分析

如图7所示，接地板长度L对高频段影响不大，在低频段影响较大，这个结论与很多已发表文献一致[10-12].综合考虑到手机尺寸的设计，L优化结果为95 mm.

图7 接地板长度L对S11参数影响

2.4 天线方向图与表面电流分布分析

图8为天线3D辐射方向图，低频段的辐射方向图类似偶极子辐射特性, 呈现全向辐射.另外, 更多的畸变在高频段辐射方向图中出现.值得注意的是内置手机天线的辐射方向图通常取决于系统的接地情况，同时接地也是天线辐射体的一部分，在低频段尤为明显，高频段由于波长和接地的尺寸相当，这会导致高频区辐射方向图很大的改变.

图8 3D辐射方向图

如图9所示为天线表面电流分布仿真图，单极子右枝节与寄生右枝节在900 MHz表面电流比较活跃，单极子左枝节与寄生左枝节在2 000、2 300、2 500 MHz表面电流比较活跃，由于耦合缝隙的强耦合关系，很强烈的表面电流有时会在二者上同时产生，比如1 800 MHz和1 900 MHz.

图9 天线表面电流分布

3 结 语

本文设计了一款基于紧凑耦合的平面单极子天线，利用紧凑耦合特性，在平面单极子天线中加入寄生耦合枝节.仿真结果得出，高频段带宽提高了600 MHz，同时改善了低频段的阻抗匹配情况，进一步对天线各参数的优化，该天线达到预计覆盖GSM900/GSM1800/1900/UMTS及LTE2300/2500频段的要求，并且各频段都有良好的辐射特性.另外该天线可以方便的印制在很小的镂空的PCB上方，低剖面特性也能够满足超薄手机的天线设计要求.

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