一种新型智能手机的平面小型GPS天线的仿真研究

张晓燕，王国皓，刘志伟

一种新型智能手机的平面小型GPS天线的仿真研究

张晓燕1,2，*王国皓1，刘志伟1,2

(1. 华东交通大学信息工程学院，江西，南昌 330013；2.东南大学微波毫米波国家重点实验室，江苏，南京 210096)

提出了一种应用于手机上的全向GPS天线。它覆盖了两个常用GPS频段：1227.6 + / 10 MHz和1575.42 + /- 10 MHz，其回波损耗大于10 dB。天线的主辐射体由两个矩形金属片和四个三角形组成，总体尺寸为20 mm × 70 mm×0.8 mm。仿真结果表明所设计天线能达到GPS通信的要求。

单极子天线；双频带；全向性；GPS天线；共面波导馈电

0 引言

随着科学技术的发展，移动电话尤其是智能手机已不仅是一种通信设备，更多的是被作为微型计算机来处理日常问题。天线作为手机的核心部件之一，其性能也必须同时提高以满足手机新功能需求。目前，WIFI，NFC，GPS等均已成为智能手机的必备功能。GPS通信有两个常用频段，因此要求所设计的天线也必须具有双频段特性。国内外的研究人员投入了大量精力致力于多频带天线研究，如褚庆昕等人介绍的一种小型宽带MIMO天线[1]。该天线覆盖了2.5/3.5/5.5 GHz和2.4/5.2/5.8 GHzdu频段，包括了WLAN ， WiMAX和LUWB频带(3.1-4.8 GHz)，天线尺寸为40 mm× 78 mm。除此之外，Roberto Caso也进行了相关的研究[2]，并提出了一种应用于DVB-T和WLAN的PIFA双频带天线。它被设计集成在显示器安装装置上，并且相对于普通的PIFA天线[3]，表现出降低的电尺寸效果。在470-862兆赫兹（59％带宽）的DVB-T和2400至2484 MHz（2.7％带宽） WLAN频带，分别测得反射系数小于-6 dB与-10 dB。目前应用于GPS通信的天线大都采用立体结构，最常见的有鞭天线，喇叭天线等，而文献[4]也给出了一种应用于导弹前端的GPS天线，虽然与传统天线相比体积已经缩小许多，但其立体结构使其应用范围受到极大限制。将GPS频段和通信频段相结合，设计出覆盖多频段的手机天线是现在手机天线设计的主流[5-7]，这种设计带来的缺点是手机天线具有多频带特性或UWB带宽使得电话设备更容易受到干扰，例如MIC、CPU等核心部件等。因此，本设计从实际应用出发，设计了一种独立于手机通信天线之外的GPS定位天线。该天线结构紧凑，易于集成，只工作在GPS通信频段，减少了对通信设备及通话功能的干扰。

平面单极子天线由于其成本低，重量轻，易于加工，以及具有良好的全向性等特点，是平面GPS天线的理想结构[8]。在本文中，我们设计了一种微型GPS天线，该天线将很方便的地安装在手机底部，并且在增益上表现出良好的性能。

1 天线设计

图1给出了所设计的双频段平面单极天线的平面结构图。它由三部分组成：辐射贴片，矩形微带线和两个刻有U型槽的矩形地面。辐射贴片的几何设计，是由四个三角形和不同大小的两个矩形的组成，用以实现阻抗匹配作用。此外，实测过程中发现，SMA连接器的焊接会影响实测结果的准确性，因此，为了得到更为可靠的仿真结果，在建模过程中同时建立标准的SMA连接器模型。两个矩形地上分别蚀刻出两个U型槽，作为两个谐振器。谐振器所产生的谐振频率为1227.6 ±10 MHz，实现了GPS天线的低频段覆盖。U型槽的长度为2×L1+W1，由四分之一波长原理得出，详细的天线尺寸如表1所示。

表1 天线变量数值

2 结果与讨论

(a)天线实测回波损耗图

(b)天线仿真回波损耗图

图2 天线S参数仿真及实测结果对照图

Fig.2 The sll parameter for the antenna

图2为该天线的S参数仿真结果与实测结果的比较(a为实测结果，b为仿真结果)。从图2可以看出，该天线从1210 MHz到1230 MHz和1516 MHz到1700 MHz频段内，回波损耗大于10 dB的，说明该天线在这两个GPS频段内能够正常工作。现有的GPS天线大都工作在1.57 GHz频段，这也是本设计与现有天线的最大区别。在两个谐振频率之间，实测结果与仿真结果有较大误差，其原因在于焊接SMA接头时，焊锡造成阻抗匹配发生变化，焊接点起到了增加耦合的作用，使两个频段耦合在一起。

图3 无刻槽情况下的天线回波损耗

图4 刻U型槽后的天线电流分布图

图3给出了没有U型槽时的回波损耗。从图2与图3的对比我们可以看出，U型槽在该结构中起到谐振器作用，产生了1210 MHz到1230 MHz的频率段。通过对该频段电流分布图3分析，发现该频段电流主要集中在U型槽附近，进一步证明U槽所起到的谐振作用[9]。由天线的主辐射体产生1.57 GHz的常用工作频段，由U形槽产生1.21 GHz的第二个工作频段，最终实现天线的双频段覆盖，这是本设计的工作原理。两个频段的回波损耗均小于-10dB。说明该天线在GPS频段内能够正常工作。图3刻U型槽后的天线电流分布图。从图2的对比我们可以看出U型槽在该结构中起到谐振器作用，产生了1210 MHz到1230 MHz频率段。通过对该频段电流分布图（图4）分析，发现该频段电流主要集中在U型槽附近，进一步证明U槽所起到的谐振作用。

图5给出了所设计天线的远场辐射方向图。仿真结果显示在两个工作频段内，该天线具有良好的全向性。

1.2GHz

1.57GHz

图.5 辐射方向图（1.2GHz, 1.57GHz）

Fig.5 Radiation Pattern(1.2Ghz 1.57Ghz)

3 结论

本文设计了一种应用在手机上的小型GPS天线。该天线的主体部分采用单极子结构，在实现频段覆盖的情况下保证了天线远场区辐射方向图具有全向性，同时采用缝隙结构，充分利用天线地面部分的面积，产生了1.21 GHz的工作频段，使得该设计在安装到手机内部时并不需要额外占用电路板空间。该天线覆盖了两个常用GPS频段，并且在各个频带内表现出良好的全向性。经过HFSS仿真和实测对比，该天线能够在GPS的两个频段内正常工作。通过对天线远场区的辐射方向图观察，也可以看出天线在工作频段内具有全向性，符合GPS点对多点通信的要求。与传统的手机GPS天线相比，它采用独立的射频器件，能够避开对通信天线的干扰。

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STUDY ON THE SIMULATION OF A NOVEL SMARTPHONE ANTENNA FOR GPS EQUIPMENT

ZHANG Xiao-yan1,2，*WANG Guo-hao1，LIU Zhi-wei1,2

(1.School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang, Jiangxi 330013 China;2.Southeast university microwave millimeter wave state key laboratory, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

An Omni-directional micro-strip antenna for GPS equipment on mobile phone is proposed. It covers two common bands for GPS: 1227.6+/-10MHz and 1575.42+/-10MHz, which its return loss is greater than 10dB. With the radiation patch and two rectangular grounds, the size of the presented antenna is 20mm×70mm×0.8mm. By the simulated results we can draw a conclusion that the antenna reaches the requirements for GPS communication.

monopole antenna, dual-band antenna, omnidirectional, GPS, coplanar waveguide

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.013

1674-8085(2014)03-0055-04

2013-12-09；

2014-01-11

国家自然科学基金项目(61061002)，毫米波国家重点实验室(K201325)，江西省教育厅项目(GJJ13352),江西省科技厅项目(20122BAB211018),江西省教育厅项目(GJJ13321),江西省研究生创新专项资金项目（YC2013-S158）

张晓燕(1979-)，女，云南楚雄人，副教授，博士，主要从事计算电磁学、天线设计研究(E-mail:xy_zhang3129@sina.com);

*王国皓(1989-)，男，山东即墨人，硕士生，主要从事天线设计领域研究(E-mail:wguoh178@163.com);

刘志伟(1982-)，男，江西南昌人，讲师，博士，主要从事计算电磁学研究(E-mail:zwliu1982@hotmail.com).