一种基于LTE的新型小型化加载开槽微带贴片天线设计

张 梅，刘基姣，冯立波

（大理大学数学与计算机学院，云南大理 671003）

在目前的信息化时代，人们对于高性能、高频谱利用率、高覆盖率等方面的需求越来越大，而LTE则作为满足人们需求的产物成为了研究的热点〔1〕。移动手机也朝着互联网娱乐型终端的方向发展，超薄智能手机也已成为潮流，而手机天线的性能直接影响着手机终端的通信质量。目前移动通信系统对天线提出了小型化、多功能、高性能的高要求〔2〕。很显然，传统的手机天线已经不能满足通信的要求，各种小型化LTE手机天线已经成为时下通信业研究的热点〔3〕。

在众多的手机天线的研究当中，微带天线以其体积小、剖面低、易集成、造价低等特性以及良好的性能受到广泛的关注。在无线通信、遥测、电子对抗、生物医学等领域都得到了广泛的应用〔4-5〕。而在移动终端中采用内置微带天线，不仅可以减小天线对人体的辐射伤害，还可以让手机的外形多样化，所以微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一。一直以来，微带天线的小型化方法集中体现在天线加载、采用高介电常数或高磁导率的基片、表面曲流开槽技术、附加有源网络、采用特殊形状、分形技术、使用左手材料等手段〔6〕。之前已有大量学者做了这方面的研究，如在文献〔7〕中，作者采用高介电常数或高磁导率的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。文献〔8〕作者采用天线加载技术，通过加载短路探针的方式缩减了微带贴片尺寸。而文献〔9〕则通过开槽缩减了微带天线的尺寸。但这些文献中天线小型化的实现是以天线增益和带宽减少为代价的，也就是说小型化后的天线的性能有所下降。所以，如何将LTE与微带天线两者相结合，且在不牺牲天线各项性能的前提下，利用天线小型化技术来实现微带天线的小型化成为了天线研究领域中的一个迫切的研究课题。

本文基于LTE，利用天线小型化技术，设计出了普通开槽和加载开槽两种微带贴片天线。该天线采用FR4环氧树脂材料，采用同轴馈电方式对辐射贴片馈电，并覆盖了LTE的工作频段2.57～2.62 GHz。通过Ansoft公司的HFSS软件，将这两款天线进行了比较、仿真、优化与分析，并对其天线模型的输入阻抗、带宽、谐振频率等参数进行了比较与分析。

1 天线的结构与设计

本文基于微带贴片天线的基本结构，采用FR4环氧树脂材料和同轴馈电方式，利用天线加载和开槽技术，应用Ansoft HFSS仿真软件设计了应用于LTE工作频段（2.57～2.62 GHz）的普通开槽天线和新型加载开槽天线，其基本结构如图1、2所示。在这两款天线的设计当中，本文是通过在贴片表面上开槽或缝隙以达到更改天线辐射贴片表面电流分布，且在微带天线上加载方形金属片，通过与馈点接近的方形金属片在谐振空腔中引入耦合电容以实现微带天线的小型化，能更有效地应用于体积较小的移动终端中。

图1 开槽天线

图2 新型加载开槽天线

在该小型化微带贴片的设计中，贴片材质选用FR4环氧树脂材料作为基板，介质基板的相对介电常数为εr=4.4，厚度为h=1.5 mm。参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，采用50 ohm同轴线馈电，选用材质为理想导体（pec）的圆柱体模型来模拟同轴馈线内芯。在与圆柱体相接的参考地上挖出一个圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口激励方式为集总端口（Lump Port）激励，端口阻抗为50 ohm。工作频段为2.57～2.62 GHz，其谐振频率为2.595 GHz。图1中的开槽天线在贴片表面上开了4个弯曲的缝隙，使得电流绕槽曲折流过的路径变长，达到减小天线尺寸的目的。图2中的新型加载开槽天线在开槽天线的基础上加载了方形环金属片，以增加天线的辐射面积，提高增益。图2中新型加载开槽天线的其他变量的尺寸如表1所示。

表1 新型加载开槽天线参数

2 天线的仿真与优化分析

根据表1中微带贴片天线的参数，使用Ansoft HFSS 13.0建立矩形微带贴片天线的模型，将辐射贴片patch和接地板GND设置为理想导体边界，采用50 ohm同轴线馈电，对信号传输端口面port的激励方式采用Lump Port，并在设置完求解频率和网络剖析后对以上设计的开槽天线和新型加载开槽天线进行了性能仿真。由于矩形微带贴片天线的中心频率主要由贴片长度来决定，贴片长度越短，则谐振频率越高。所以，在本文中主要采用参数扫频分析来寻求中心频率在2.595 GHz时对应的L0的值。并且通过扫描分析谐振频点（2.595 GHz）处的回波损耗以及输入阻抗随同轴线馈电点位置L1的变化关系，Smith圆图上S11和同轴线馈电点位置的变化关系，分析找出最佳阻抗匹配点，优化变量L1，得到目标函数dB（S（1，1））在2.595 GHz值为0时的性能参数值。优化之后的结果如图3～6所示。

图3中的S参数表示在波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值，一般认为S参数小于-10dB表明天线能正常工作。在图3（a）中，开槽天线的中心频率为2.595 GHz，在S参数值为-10 dB时，上截止频率为2.572 GHz，下截止频率为2.619 GHz，绝对频带宽度为0.047 GHz，相对频带宽度为1.8%，S参数的最低点为-24 dB。在图3（b）中，加载开槽天线的中心频率为2.595 GHz，在S参数值为-10 dB时，上截止频率为2.567 GHz，下截止频率为2.622 GHz，绝对频带宽度为0.055 GHz，相对频带宽度为2.1%，S参数的最低点为-35 dB。

图3 S参数图

图4 中的Smith圆图代表的是优化的馈电点在谐振频率处的归一化情况，根据归一化阻抗的值来判断此时的优化是否良好，可看出天线的阻抗匹配情况。如若天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号反射，使天线的辐射效率降低，而一般天线的输入阻抗设为50 ohm。图4中开槽天线在谐振频率为2.595 GHz时的归一化阻抗为0.9+j0.09，加载开槽天线在谐振频率为2.595 GHz时的归一化阻抗为1.02-j0.003，由此可见，这两种天线都达到了良好的匹配状态，且加载开槽天线的阻抗匹配情况稍优于开槽天线。

图4 S11的Smith圆图结果

图5 中天线的增益是指通过天线最大辐射方向上的辐射强度与同一方向上理想电源天线的辐射强度比值。从图4可以看出，开槽天线最大辐射方向为φ=0∘、φ=90∘，即辐射贴片的正上方，最大增益值约为1.229 7 dBi，开槽加载天线的最大增益值约为1.465 2 dBi。

图5 E面和H面上的增益方向图

驻波比是衡量天线性能的重要参数，是相邻电压最大值和最小值的比值，表示天线与传输馈线的匹配程度，值越小，表示匹配越好。天线正常工作时，一般要求天线的驻波比不大于2，即要求驻波比VSWR≤2。从图6可以看出，开槽天线在2.595 GHz处，驻波比达到了1.2，加载开槽天线在2.595 GHz处，驻波比达到了0.3。结果表明天线在2.57～2.62 GHz这段频率内驻波比满足天线正常工作的要求，这也证明了S参数图与驻波比保持一致的关系。

图6 驻波比

通过图3～6，可总结得到开槽天线和加载开槽天线的优化结果对比图如表2所示。

表2 天线优化结果对比

从表2可以看出，本文所设计的新型加载开槽天线在不牺牲天线性能的前提下能达到实现小型化的目的。

3 结语

基于LTE的工作频段（2.57～2.62 GHz），本文通过采用FR4环氧树脂材料和同轴馈电方式，将天线加载和开槽技术相结合，通过对微带贴片天线基本结构的设计、天线性能参数的分析等角度设计出了普通开槽天线和新型小型化加载开槽天线，并利用Ansoft HFSS仿真软件对所设计天线进行了仿真、优化和比较。优化后的开槽天线和新型加载开槽天线的比较结果表明：本文所设计的新型加载开槽天线的增益、反射系数、驻波比、阻抗匹配方面的性能均优于普通开槽天线，且还能达到小型化的目的，在现代通信领域当中具有较好实用价值和应用前景。但目前，小型化天线的实际应用仍是一个热门的问题，那么将在理想状态下设计出的天线进行实际测试将是作者下一步的工作。

〔1〕张梅，罗桂兰.基于LTE-Advanced的协作通信系统模型分析与研究〔J〕.大理学院学报，2013，12（10）：19-22.

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〔3〕杨超，梅康，陈金鹰，等.4G通信技术及其应用前景〔J〕.通信与信息技术，2011（3）：58-60.

〔4〕王彩华，陈晓光.一种改进的宽带微带天线设计〔J〕.无线电工程，2011，41（11）：43-45.

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