多频段手机天线的设计与测量

孙振

摘 要：基于手机天线的原理，本文通过HFSS高频仿真软件对于4G手机的多频单极子平面天线进行了设计和测量。这种电线由单个辐射臂和两个耦合枝节所构成，并且借助于一个U型与一个L型的折弯耦合枝节来得到多频的特性。经过观察该天线在857兆赫兹～992兆赫兹和1626兆赫兹～3000兆赫兹的频炉范围内，其回波损耗均小于-6dB，与此同时该天线具有良好的方向图特性，可以满支持移动终端在多个4G频段的使用要求。除此之外，本文还对天线进行了参数测量计算从而得到了影响其阻抗的数据。通过这类测量来为该类天线的设计提供一定的技术参考。

关键词：手机天线；多频；手机天线；

随着科技进步以及我国通信技术的飞速发展，在手机的生产中设计变得越来越精致，而手机的天线是手机信号的终端设备，因为受到手机尺寸等影响，对于手机天线的尺寸也有了新的要求。但是天线越来越小，其辐射效率也会收到影响而下降。因此一款小巧的手机天线的带宽与尺寸的有着不同忽视的紧密的关联。本次我们需要针对于如何在满足带宽要求下实现小型化终端天线这一问题进行思考。通过查阅资料，一款小尺寸三频段PIFA手机天线，给本设计提供了设计和实验启发。但以往的天线设计无法同时满足手机天线的小型化和其工作标准要求。因此本文针对于一种紧凑型多频段内置手机天线进行设计构想。具体目标为：设计一款覆盖：GSM900（880兆赫兹～960兆赫兹），DCS1800（1710兆赫兹～1880兆赫兹）， PCS1900（1850兆赫兹～1990兆赫兹），UMTS2100（1920兆赫兹～2170兆赫兹），LET2300（2305兆赫兹～2400兆赫兹），WLAN/WIFI/Bluetooth（2400兆赫兹～2484兆赫兹），LET2500（2500兆赫兹～2690兆赫兹） 此类七频段的内置手机天线。并且该天线在每个频段带宽与回拨损耗都达到标准要求，且各个波段的增益都大于2dB，因此该类天线具有良好的辐射方向图。

一：天线的基本原理构造

单极子天线垂直于地面或者导电平面架构，因此又可以被称作直立天线。

此类天线具有极佳的偶极子的良好特点如：带宽较宽，辐射性能较好且稳定的特点。因此此类天线成为了如今手机天线的主要配备。其作用原理为通过电磁场理论的镜像原理，将无限大的地面看作是天线的另外臂端，通过此种原理等效成理想的偶极子。通过对于理想偶极子的理论的分析思考，借助此理论来推导出单极子天线的辐射场以及远场方向图函数等。

二：设计结构介绍

基于上文所叙述的原理和理论，我们提出了一种适合于多频段的4G手机天线结构设想，并进行了相关模拟实验。在实验中我们借用了FR4材料作为天线介质板，以此来模拟手机的材质结构。而此类材料：

相对介电常数εr=4.4

正切介质损耗角tanδ=0.024

环氧树脂（FR4）介质板的尺寸为6cn×12cm×0.08cm。

借助于折弯技术，来实现天线的小巧化。

其中天线贴片尺寸为3.4cm×1.9cm×0.65cm。

实验中我们使用了铜作为材料，由耦合枝节与折弯枝节来组成天线的整体构造。天线的馈电方式则使用了SMA耦合同轴馈电。

具体的天线的结构如图3、4所示：

因为采用了耦合馈电方式，可以使得低頻段的带宽增大，主要谐振出低频段借助于L型枝节来实现完成，高频段则由U型枝节谐振完成。

三：相关的天线参数测量

本节通过对天线结构参数分析计算，以此来测量出天线的自身参数对天线阻抗性能产生的影响。从而完成影响天线阻抗特性参数测量。具体通过HFSS微波仿真软件来对天线进行了多次仿真实验。经过多次实验后的结果表明，主要尺寸参数W3与L8是影响天线抗阻特性的主要参数。

在仿真实验的过程中，我们控制了实验的变量保证其他尺寸参数固定的情况下，单独针对 W3和 L8其中一个数值进行改变。

实验中，W3几次实验的取值为0.14cm，0.17cm，0.2cm；

L8几次取值为0.6cm，0.8cm，1.0cm。

将以上数据通过HFSS进行仿真实验可绘制出回拨损耗曲线图，如图5、6所示：

从图5可以看出，当W3< 0.17cm时，低频段的谐振频率处于上升趋势，不能完成对于GSM900频段的覆盖，且高频段的阻抗匹配会降低；

当0.17cm

从图6可以得到，对于主要影响高频段的阻抗匹配的L8尺寸进行实验可以得知，在 0.6cm到1.0cm的尺寸中，天线的高频段的阻抗匹配逐渐变佳，且能够使得低频段中频段保持稳定，故L8取最优值1.0cm。

通过以上的实验方法，对参数H和W6进行了灵敏测试。得到结果图7和图8。

因此我们可以得知对于天线的高度往往会影响天线的带宽。当天线的高度采用0.45cm时，则不能完全覆盖3G频段中的DCS1800频段。

四：仿真结果的分析

4.1回波损耗

衡量手机辐功率与阻抗匹配的过程中，其中一个参考就是回波损耗系数S11，该数值因为通常驻波比小于3∶1，从而被认为临界点，并且以此来判断手机天线辐射性能好坏。

借助HFSS仿真软件来优化单极子手机天线的参数后，其回波损耗如图9：通过图片可以分析出其覆盖频段为

4.2增益与方向图

如表1所示，在880兆赫兹，1750兆赫兹和2500兆赫兹3个典型频率点中，我们设计的天线实验结果均>2dB，这一结果与移动终端对天线增益Tab.1的需求相符。通过图10所展现的880兆赫兹，1750兆赫兹，2500兆赫兹的天线辐射方向图，我们可以看出天线在水平面辐射图近似圆形，因此在各个方向具有良好的接收性能，符合实际需求.

五：结论

本文通过对于单极子手机天线的原理进行分析，借助 HFSS仿真软件作为技术保障。设计了一款多频段4G单极子手机天线。这类天线集较宽的带宽，多频段覆盖为一体的同时，具有良好的回波损耗系数，并且在不同频段中，该手机均有良好的接受性能。同时尺寸较小，满足当代手机设计的需求，因此具有一定的实际应用价值.

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