应用在手机终端的多频段平面天线研究

崔 灿,王 平

(重庆邮电大学 重庆市移动通信市级重点实验室，重庆 400065)

应用在手机终端的多频段平面天线研究

崔 灿,王 平

(重庆邮电大学 重庆市移动通信市级重点实验室，重庆 400065)

基于宽带紧凑耦合技术，提出一款小尺寸多频段工作的平面印刷手机天线。天线主要由驱动单元、耦合单元和分支单元3部分组成。耦合单元和分支单元分别在低频产生谐振，控制低频段工作带宽，而驱动单元主要控制高频段工作带宽。通过仿真优化天线参数，制作了上述天线的实验模型，并进行严格测试。测试结果与软件仿真基本吻合，达到设计要求。该天线能够工作在CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500等多种无线通信频段，具有一定通用性。

手机；多频段天线；耦合激励；小型天线

0 引 言

随着移动通信技术的不断发展和更复杂应用环境的影响，对通信设备的工作性能提出了越来越高的要求。手机终端天线作为手机通信系统的关键部件，其性能的好坏决定了整个通信系统收发电磁信号的能力[1]。因受手机有限的内部空间、越来越多的使用功能以及各集成器件无法再小型化等方面的限制，预留给天线的有效空间也变得越来越小，因而研究手机天线的小型化技术已成为各学者研究的热点。又因2G/3G/4G移动通信工作频带不尽相同，通常需要工作在各频段的天线单元组成天线阵，分别收发各工作频段的电磁信号。虽满足带宽需求，但有限的内空间难以容纳较大的天线阵列。如果单个天线的工作带宽就能完全覆盖2G/3G/4G频带，天线的尺寸将急剧地减小，因而研究具有宽频带或多频段工作特征的单天线结构就变得非常必要。众所周知，天线的小型化和宽带化是2个矛盾点。因此，有效地探寻手机天线的多频带工作与小尺寸之间矛盾的平衡点成为各学者研究的方向。

印刷微带天线由于具有低剖面、易于制造、低成本、易电路集成等特征，是设计手机天线的最佳选择，越来越多的学者也开始致力于相关技术的研究[2-7]。然而，这些天线遭遇了尺寸较大、工作频段窄等问题，仍不满足手机终端通信需求。文献[8]采用折叠和弯曲贴片技术来减小面积占用问题，这种四分之一波长的缝隙天线，与传统半波长天线[9]相比，占用尺寸减小，但是只能工作在单一频段。而文献[10-11]设计的多频段天线虽然能够达到宽频带、多频段工作的特点，却有占用空间较大的劣势。可见，该领域的很多工作尚未成熟，一些关键性问题仍待继续研究。为此，该文用计算机仿真技术公司(cemputer simulation technology, CST)基于时域差分法的微波工作室软件(microwave studio, MWS)仿真设计出一款多频段平面手机天线，并制作出天线样品。经测试表明，该天线低频覆盖778 MHz～890 MHz，高频覆盖1.7 GHz～2.8 GHz，满足CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500的工作频段需求，且尺寸仅为23.5 mm×15 mm。同时，天线性能较好，接口简单，便于手机整体设计组装。

1 天线结构与仿真分析

1.1 天线结构

图1展现了该天线的三维结构，天线运用低成本的环氧树脂介质板(εr=4.4，tanδ=0.02)集成设计。介质板的整体尺寸为65 mm×100 mm×0.8 mm，接地板印刷在介质板一面的右方35.5 mm×15 mm及下方65 mm×85 mm处，天线辐射体占据23.5 mm×15 mm面积。经过参数优化后的天线如图2所示，该天线主要由驱动单元、耦合单元和分支单元3部分组成，驱动单元末端连接特征阻抗为50 Ω的L形微带馈线。所提出的天线通过导通孔由介质板背面的耦合单元延展出分支单元到介质板正面，从而形成多个表面电流流向实现手机天线的多频段宽频带特性。通过弯折耦合单元和分支单元不仅能够实现低频段，而且减小了天线尺寸。

图1 建议天线的三维结构Fig.1 Three-dimensional structure of the proposed antenna

图2 天线结构示意图Fig.2 Dimensions of the proposed antenna

1.2 仿真分析

通过HFSS仿真软件对提出天线进行仿真。图3为相似结构天线的S11仿真。由图3可知，未加入分支单元的天线低频谐振无法满足设计要求。同样仅有分支单元也无法覆盖设计要求的低频频带。在天线耦合单元和枝节单元的共同作用下，低频段带宽有明显改善，同时对高频频带也有显著影响。

图4为天线表面电流仿真分布图。由图4可以看出，820 MHz时该天线的耦合单元和分支单元表面电流均比较活跃，而在865 MHz主要由分支单元产生谐振点。耦合单元和分支单元的共同耦合在低频段形成一个双谐振膜，形成了低频段的宽频覆盖，得到良好的低频段匹配。同时，驱动单元分别在1.94 GHz和2.74 GHz附近激发2个高次谐振膜，谐振回路共覆盖1.7 GHz～2.8 GHz，为单极子天线提供超宽的高频带宽。下面对该天线的尺寸参数对天线S11的影响进行探讨。

图3 不同天线结构的S11仿真结果Fig.3 Simulation S11 for different antenna structures

图4 仿真的表面电流分布Fig.4 Simulated surface current distributions of the proposed antenna

图5a为保持天线其他参数不变，改变参数wg对天线的辐射参数的影响，其中，wg为天线的耦合单元与分支单元的天线宽度。可以看出，通过改变wg，对于高频带的阻抗特性(以S11<-6 dB为标准)影响极小，但是，低频带的阻抗特性随着天线宽度的增加却逐渐降低。考虑到后续加工工艺精度wg选取0.6 mm的宽度。

图5b为保持天线其他参数不变，改变L5的数值对天线S11的影响，其中，L5为耦合单元末尾弯折的一段天线长度。分析可知，随着参数L5数值的增加，该天线的低频回波损耗向更低频带移动，直到与通过导通孔寄生的枝节产生的低频回波损耗曲线分离。为了覆盖CDMA800，L5最终优化取值覆盖略低于850 MHz的9.9 mm。

图5 不同天线尺寸下的S11仿真Fig.5 Simulated S11 with different size of the proposed antenna

2 仿真与测试结果

为了验证天线设计的有效性，基于图2中的优化参数值，制作出天线样品，如图6所示。使用安捷伦M9392A矢量网络分析仪和NSI公司的某天线测试系统对天线的阻抗特性、辐射特性等进行测试。

图6 天线实物图Fig.6 Physical map of the antenna

图7给出了仿真与测试的反射系数曲线。从图7中可知，仿真与测试值基本吻合，但也呈现出较小的误差，误差的主要来源可以概括为①超小A型(sub miniature A，SMA)接头粗糙的焊接；②室内不理想的测试环境；③加工误差；④介质参数的误差；⑤仿真算法的误差等。图7表明，与仿真结果相对比，测试得到的谐振频率向低频稍微移动，阻抗带宽特性良好。以S11<-6 dB为标准，低频段覆盖778 MHz～890 MHz频段，绝对带宽为112 MHz；高频段覆盖1 685 MHz～2 690 MHz频段，绝对带宽为1 005 MHz。该天线满足手机天线设计的覆盖CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500频段的要求。

图7 仿真与测试的反射系数曲线Fig.7 Simulated and measured reflection coefficient for the proposed antenna

图8给出了频点分别为810 MHz，1 900 MHz和2 590 MHz时在xy平面和yz平面仿真与测试辐射方向图。图8显示，仿真与测量的辐射方向图基本吻合，H面全向性较好，可收发各方向的信号。

图9给出了天线在高频段的最大增益和辐射效率曲线。结果标明：天线在高频段的最大增益均在1 dBi以上，效率高于50%。在1 900 MHz和2 590 MHz 2个频点，仿真的增益大约为2 dBi和2.5 dBi，而测试的最大辐射方向上的增益为4.06 dBi和2.05 dBi。可见在频点1 900 MHz，增益的测试和仿真值间差异较大，主要的原因可能是测试时标注喇叭天线未放置于测试中心，导致测试方向发生了一定偏离。

3 结束语

本文基于宽带紧凑耦合技术，提出一款小尺寸多频段工作的平面印刷手机天线。利用导通孔在平面单极子天线中添加弯折寄生耦合枝节，不仅实现了低频的宽频覆盖，还有效地减小了天线的整体体积。仿真分析了几组不同结构对天线阻抗特性的影响，优化参数并制作实物，天线测试结果与仿真吻合度高，达到预期覆盖CDMA800/GSM1800/1900/UMTS以及LTE2300/2500频段的要求，并在各频段内有良好的辐射特性，满足手机天线的设计要求，具有良好的应用前景。

图8 仿真与测试天线的归一化辐射方向图Fig.8 Simulated and measured normalized radiation patterns for the proposed antennas

图9 仿真天线增益和辐射效率Fig.9 Simulated gains and efficiencies of the proposed antenna

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崔 灿(1989-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要研究方向为通信中的电磁理论与技术。E-mail：236765813@qq.com。

王 平(1981-)，男，重庆璧山人，讲师，博士，主要研究方向为天线与电波传播，无线通信技术。E-mail: wp@cqupt.edu.cn。

(编辑：刘 勇)

Research of the multi-band planar antenna for mobile terminal

CUI Can, WANG Ping

(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R.China)

Based on broadband compact coupling technology, this paper presents a small-size planar printed mobile phone antenna with multi-band operations. The proposed antenna is composed of the driving unit, the coupling unit and the branch unit. The coupling unit and the branch unit produce resonance at low frequencies section respectively, controlling the low frequency operating bandwidth simultaneously, and the high frequency drive unit mainly controls operating bandwidth. The author made the experiment model of the aforesaid antenna by simulating optimized antenna parameters and conducted tests carefully. The measured results is basically consistent with the software simulation results to achieve the design requirements. The proposed antenna can work under multi-frequency bands, such as CDMA800/GSM1800/1900/UMTS and LTE2300/2500, which has a certain commonality.

mobile handsets; multiband antennas; coupling feed; small antennas

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.013

2015-10-14

2016-04-25

王 平 wp@cqupt.edu.cn

港澳台科技合作专项(2015DFT10170)；重庆邮电大学博士启动基金(A2015-08); 长江学者和创新团队发展计划(IRT1299)

Foundation Items：The Hong Kong, Macao and Taiwan Science and Technology Cooperation Projects(2015DFT10170); The Doctoral Fund of Chongqing University of Posts and Telecommunications(A2015-08); The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT1299)

TN828.6

A

1673-825X(2016)06-0827-04