一种应用于POS机的4G全网通天线

黄文储,袁家德

(福州大学物理与信息工程学院,福建 福州 350116)

0 引言

4G时代的移动终端全网通支持GSM/CDMA1x/CDMA2000/TD-SCDMA/WCDMA/TDD-LTE/FDD-LTE多种制式. 天线作为终端的关键部件,其性能好坏不仅影响信道性能,对终端整体性能也起决定性作用. 随着移动终端日益小型化且高度集成,工作频段的不断增加,天线周围的金属部件和电路的存在,利用有限的空间在超薄的移动终端中设计出一款高性能的小型天线是一个非常艰巨的挑战. 为减小天线尺寸,增加天线带宽,提高天线辐射性能,小型化、多频带、超宽带、可重构等技术得到了广泛应用. 环形天线、耦合馈电形式天线,多分支结构天线、缝隙天线、平面单极子天线和平面倒F天线在手持移动通信终端被广泛使用. 文[1-2]利用倒L型及弯曲折叠的U型辐射枝节的组合,实现小型、多频、宽频的特性. 文[3]通过加载多枝节的折叠单极子,并利用单极子天线的基模和高次模增加天线的带宽,实现全网通的覆盖. 文[4-5]利用环形天线能工作在0.5λ、1.0λ、1.5λ多个模式下并且在馈电端增加匹配电路提高天线的带宽. 文[6]利用耦合馈电、短路寄生单元、低频螺旋结构实现对LTE/WWAN/GPS/GLOSS频段的覆盖. 文[7]采用T型短路寄生单元与非对称U型单极子结构的耦合产生覆盖LTE/WWAN的8个频段. 文[8]采用倒L型短路寄生单元和新型G型单极馈电枝节,利用G型枝节与倒L型枝节之间的耦合拓宽低频段的带宽. 文[9]利用T型枝节及两个接地的短路枝节形成的双环形天线的多模谐振实现对LTE700/GSM850/900/GSM1800/1900/UMTS/LTE 2300/2500频段的覆盖. 上述天线充分考虑了天线的尺寸对通信设备性能的影响,但天线都是采用FR4为介质基板,并且依赖于设备中的参考地,结构复杂,不适用于小型化、超薄化的移动POS机设备.

本研究设计一种平面小型化POS机天线,通过加载寄生耦合单元并且不依赖设备中的参考地实现4G全网通频段的覆盖,所设计的天线单元具有结构简单、频带宽、馈电方便、成本低的特点. 在POS机内部复杂的电磁环境下,该天线能获得良好的TRP和TIS性能,适用于POS机小型移动通信终端.

1 天线的设计与仿真

1.1 天线结构与设计

天线的结构示意图如图1所示. 该天线由直接馈电枝节、寄生单元和金属地组成. 其中,寄生单元由短倒L型枝节(HIK)和带有U型枝节的长倒L型枝节(JKLM)构成； 直接馈电枝节由E型枝节(AEG及AEF)与倒C型枝节(CD)组成； 金属地为长方形的辐射贴片. 天线采用同轴线馈电,A为馈电点,B为接地点,天线总体尺寸为61 mm×30 mm,天线结构的详细参数如表1所示. 该天线采用FPC(flexible printed circuit )材质,贴在POS机背面顶端的内部塑料外壳上.

图1 天线结构示意图Fig.1 Geometry of the proposed antenna

参数L/mm参数L/mmL118L913W12L1013L210.5L1112W21.5L126L313.5L1310L48L1410W41.5L1524L54.5G10.5L636G22.5W72.5G32L717.5L30L826W26

1.2 天线仿真结果与分析

天线有无寄生单元的S11曲线对比图如图2所示. 从图中可以看出,天线在无寄生单元时,低频段无谐振点,并且高频段的带宽不足以覆盖1.70～2.70 GHz工作频段. 增加寄生单元后天线低频段出现了谐振点,并且能够获得足够的带宽覆盖0.82～0.96 GHz工作频段； 在高频段产生了寄生谐振频点,有效增加了高频段的带宽.

长倒L型枝节对天线的高低频段都有重要的影响.L6是长倒L型枝节的参数,如图3所示. 随着L6的增大,低频段谐振点逐渐往左移,而高频段带宽逐渐变小. 这是因为L6的长度控制低频段的谐振长度,L6增加使得低频段的谐振频点左移,L6长度变化影响着其与参考地间的电容性耦合,影响着高频段的阻抗匹配,从而影响高频段的阻抗带宽.

通过仿真分析该天线的表面电流分布来理解天线的工作原理,如图4所示. 图4(a)是天线工作在频率0.94 GHz时的电流分布图,从图中可以看出AEF工作在0.94 GHz的约四分之一波长模式下,HIKLM工作在0.94 GHz的约二分之一波长模式下,因为EF与HI枝节存在一个0.5 mm的缝隙,即EF与HI枝节存在耦合,等效于在AEF与HIKLM枝节中加入了一个电容. 由于电容的存在改善了天线的阻抗,也缩短了天线的谐振的电流有效路径. 图4(b)是天线工作在频率1.56 GHz时的电流分布图,JKLM和HIKLM两个枝节工作在1.56 GHz的约四分之一波长及二分之一波长的模式下. 如图4(c)所示,CD枝节可看成为在A点馈电的非对称偶极子,其工作在2.70 GHz的约二分之一波长模式下,JKLM枝节工作在2.70 GHz的一个波长模式下. 由于寄生单元的存在使得天线能产生更多寄生谐振模式,有效拓展了高频段带宽.

图2 有无寄生单元S11的曲线对比Fig.2 Measured S11 of the proposed antenna with and without the parasitic element

图3 L6 的变化对S11的影响Fig.3 Effect of various length of L6 on measured S11

图4 天线的表面电流分布Fig.4 Simulated surface current distributions forthe proposed antenna

天线分别在0.94、1.56、2.70 GHz的辐射方向图如图5所示. 天线在xoy平面呈现近似双向辐射特性,在yoz平面方向图近似全向辐射特性. 这是因减小天线尺寸而采用枝节电流弯折,各枝节间存在耦合,辐射枝节产生多模谐振等原因导致天线的辐射方向图相对于传统偶极子方向图呈现出不完全规则的形状.

图5 天线的增益方向图Fig.5 Measured radiation patterns for the proposed antenna

2 实测结果

将该天线制作成实物并应用在POS机中，如图6所示. 采用矢量网络分析仪Agilent E5071C对该天线进行测试,结果如图7所示. 实测结果表明,天线端口S11小于-6 dB阻抗带宽低频段为0.80～1.00 GHz,高频段为1.45～2.90 GHz,可覆盖GSM900、DCS1800、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、LTE Band1/3/3839/40频段. 在微波暗室测试了天线的增益和效率,测试结果如图8所示. 天线低频段824～960 MHz的效率和增益分别为27%～35%,-1.8～1.8 dBi； 高频段1.70～2.70 GHz的效率和增益分别为28%～78%,0～5.7 dBi. 同时, 图8中给出了天线增益的仿真曲线,与测试结果较好吻合. 采用Agilent 8960和MT8820C综测仪对天线的TRP与TIS进行测试,测试结果如图9所示. 测试结果表明, EGSM900和DCS1800频段： TRP≥26 dBm,TIS≤-95 dBm； CDMA2000频段： TRP≥14 dBm, TIS≤-95 dBm； WCDMA和TD-SCDMA频段： TRP≥19 dBm ,TIS≤-100 dBm； LTE Band1/3/38/39/40频段： TRP≥18 dBm , TIS≤ -88 dBm,较好地满足工程应用的需求.

图6 天线应用在POS机中的实物图Fig.6 Photo of the fabricated antenna applied inPOS terminnal

图7 天线S11仿真及测试曲线Fig.7 Simulated and measured for the proposedantenna

图9 POS机中天线各频段TRP和TIS柱状图Fig.9 TRP and TIS histogram of respective frequency bands in POS terminal

为说明天线的TRP与TIS性能,表2、表3分别列出天线TRP与TIS性能对比. 由表2可以看出,在TRP性能上,本研究所设计的天线优于文[10-11]中天线； 与文[12]相比,本研究设计的天线在DCS1800/WCDMA/LTE频段上处于优势,而在EGSM900/CDMA/TD-SCDMA上略低. 由表3可以看出,在TIS性能上,本研究设计的天线都优于文[10]中天线所覆盖的频段； 与文[11]中的天线相比,本研究设计的天线在DCS1800/WCDMA/LTE具有较好优势,在EGSM900频段上略差； 与文[12]中的天线相比,本研究设计的天线在EGSM900/DCS1800/WCDMA/LTE频段上略差,在WCDMA频段上好于文献中天线.

表2 天线TRP性能对比

表3天线TIS性能对比

Tab.3TISperformancecomparison(dBm)

3 结语

提出一种4G全网通POS机天线,尺寸仅为61 mm×30 mm. 通过采用倒L型、U型、E型及倒C型辐射枝节实现天线的多频特性. 通过耦合增加低频段的带宽,加载寄生单元获得良好的匹配和增加高频段的带宽,实现天线的小型化及宽频化. 实测S11小于-6 dB阻抗带宽低频频段为0.80～1.00 GHz,相对带宽为22.2%,高频频段为1.45～2.90 GHz,相对带宽为66.7%. 覆盖了GSM900、DCS1800、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、LTE Band1/3/38/39/40频段. 并且该天线用于POS机中能够获得良好的全向辐射功率(TRP)和全向接收灵敏度(TIS),能很好地应用于POS机的4G通信.