一种多频段4G手机天线的优化设计

陈应辉,曾文波*

(广西科技大学 电气与信息工程学院,广西 柳州 545006)

摘 要:基于单极子手机天线的原理,利用HFSS高频仿真软件优化设计了一款应用于4G手机的多频单极子平面天线.该天线由一个辐射臂和两个耦合枝节组成,通过U型与L型的折弯耦合枝节获得多频特性.在857 MHz~992 MHz和1 626 MHz~3 000 MHz频率范围内,所设计天线的回波损耗小于-6 dB并具有良好的方向图特性,能满足移动终端在多个4G频段的应用要求.此外,还对天线进行了参数分析,得到了影响天线阻抗特性的敏感尺寸参数,对该类天线的设计具有一定的指导意义.

关键词:手机天线;多频;平面天线;HFSS

0 引言

随着移动通信技术的快速发展,手机变得越来越精巧,而天线作为其终端设备,也有了新的挑战与要求.但当实现天线的小尺寸化的同时,会降低天线的辐射效率,因此设计一款紧凑的手机天线时,要综合考虑带宽与尺寸的关系,在满足带宽要求下如何实现小型化是终端天线的难点.对于手机内置天线,文献[1]介绍了一款小尺寸三频段PIFA手机天线,通过折弯天线实现小型化,为本设计提供了思路.文献[2]介绍了一款五频段的手机天线,这款天线结构简单,通过增加寄生贴片与主天线产生耦合激励出高频段,达到小型化和激励出高频段的目的.文献[3]介绍了一款小型化六频段的手机天线,其特点是减少馈电与地板的接触面积来提高低频断的带宽,通过开槽技术谐振出GSM 900的2G频段,实现了天线的小型化.文献[4]介绍了传统微带天线的设计方法,等等.但前人的设计,并不能完全满足手机天线的小型化与能在多频段工作的要求,本文将提出一种紧凑型多频段内置手机天线.

本文设计了一款覆盖七频段的内置4G手机天线,覆盖的通讯频段分别为:GSM 900(880 MHz~960 MHz),DCS 1800(1 710 MHz~1 880 MHz),PCS 1900(1 850 MHz~1 990 MHz),UMTS 2100(1 920 MHz~2 170 MHz),LET 2300(2 305 MHz~2 400 MHz),WLAN /WIFI /Blue tooth(2 400 MHz~2 484 MHz),LET 2500(2 500 MHz~2 690 MHz).每个频段带宽与回拨损耗都达到手机天线的要求,即VSWR≤3,S11≤-6 dB且每个波段的增益都大于2 dB,辐射方向图较好.

1 单极子手机天线的基本原理

单极子天线又称直立天线,是垂直于地面或者导电平面架构的天线.单极子天线具有理想偶极子的优良特性,如:带宽宽,辐射性能稳定等特点,所以现今成为手机天线的主流选择[5].单极子天线是通过电磁场理论的镜像原理,把无限大的地面当成天线的另外一臂,等效成理想的偶极子,再通过理想偶极子的理论来推导出单极子天线的辐射场,远场方向图函数等.单极子天线的结构图和等效图如图1、图2所示.

图1 单极子天线的结构图
Fig.1 Structure model of monopole antenna

图2 单极子天线的等效图
Fig.2 Equivalent model of monople antenna

无限大的地面上,单极子天线产生的辐射场为:

远场的方向图函数为:

其中,r——场点到源点的距离,β——相位常数,Im——最大馈电电流.

2 天线的结构与设计

基于单极子手机天线的理论,提出一种多频段的4G手机天线结构,为模仿手机结构,该天线介质板的材料为环氧树脂(FR4)材料,相对介电常数 εr=4.4,正切介质损耗角 tan δ= 0.024,环氧树脂(FR4)介质板的尺寸为60 mm×120 mm×0.8 mm.经过折弯技术,实现天线的小型化,天线贴片尺寸为34 mm×19 mm×6.5 mm,采用金属铜材料,天线由耦合枝节与折弯枝节组成.馈电方式选择SMA耦合同轴馈电[6].天线的结构如图3、图4所示.

图3 天线的俯视展开图
Fig.3 The aerial view of antenna

图4 介质与接地板的分布图
Fig.4 Distribution design of medium and ground

利用HFSS仿真软件对天线进行仿真设计与优化,得到一组较好的天线尺寸参数为:W1=8.9 mm,W2=3 mm,W3=1.7 mm,W4=8.7 mm,W5=5 mm,W6=19 mm,W7=11.3 mm,W8=2.3 mm,W9=96 mm,L1=34 mm,L2=2.4 mm,L3=16.8 mm,L4=7.4 mm,L5=2.3 mm,L6=60 mm,L7=30 mm,L8=10 mm,H=6.5.该天线采用了耦合馈电方式,可以增加低频段的带宽,L型枝节主要谐振出低频段,U型枝节主要谐振出高频段.

3 天线参数分析

为分析天线结构参数对天线阻抗性能的影响,得出影响天线阻抗特性的敏感尺寸参数,利用HFSS微波仿真软件对天线进行了多次仿真研究.结果表明,影响该天线阻抗特性的主要尺寸参数是W3与L8.仿真过程是在保证其他尺寸参数不变的情况下,仅仅改变W3或L8其中一个数值.W3取值依次为1.4 mm,1.7 mm,2 mm;L8依次取值为6 mm,8 mm,10 mm,使用HFSS仿真可得到回拨损耗曲线图,如图5与图6所示.

图5 参数W3对S11的影响曲线图
Fig.5 The effect of W3on the S11

图6 参数L8对S11的影响曲线图
Fig.6 The effect of L8on the S11

从图5可以看出,当W3小于1.7 mm时,低频段的谐振频率会变大,不能覆盖GSM 900频段,而且高频段的阻抗匹配会变差;当W3在1.7 mm与2.0 mm取值时,低频段完全覆盖GSM 900频段,高频段的阻抗匹配也得到提高,利用HFSS调整W3致最优,取1.7 mm.

从图6可以得到,对于参数L8主要影响高频段的阻抗匹配,从6 mm到10 mm,高频段的阻抗匹配依次变好,而且低频段中频段几乎不发生变化,故L8取最优值10 mm.基于同样的方法,对参数H和W6进行了灵敏分析.结果分别如图7和图8所示.对于内置天线,特别是内置手机天线,为实现智能手机的小型化,都会对天线的高度有一定的约束,但天线的高度往往会影响天线的带宽,当天线的H=4.5 mm时,该天线不能完全覆盖3G频段中的DCS 1800频段,低频段的带宽显然比H=5.5 mm,H=6.5 mm时小,并且高频段的回拨损耗过大,对于实际的天线应用难以实现匹配;随着天线高度的增加,带宽陆续变大,但出于实际应用的考虑,天线高度H=6.5 mm为最优尺寸.对于图8,可以明显看出,在W6=10.3 mm时,曲线发生明显的变化,原因是当W6=10.3 mm时,底部的L型贴片不再与馈电部分耦合,而是连接在一起,这等效于增加了低频段的谐振长度,此时谐振频率约为600 MHz,明显不能覆盖GSM 900频段,这里是值得注意的.利用HFSS,把 W6的参数值调致最优,即 W6=11.3 mm.

图7 参数H对S11的影响曲线图
Fig.7 The effect of H on the S11

图8 参数W6对S11的影响曲线图
Fig.8 The effect of W6on the S11

4 仿真结果

4.1 回波损耗

回波损耗系数S11是衡量手机辐功率与阻抗匹配的一个重要标准,通常驻波比小于3∶1是判断手机天线辐射性能好坏临界点[7].利用HFSS仿真软件对单极子手机天线的参数进行优化后,可以得到最终的手机天线的回波损耗如图9所示.由图9可见该手机天线的覆盖频段分别从857MHz~992MHz以及从1626 MHz~3 000 MHz,且覆盖频段内的回波损耗S11<-6 dB,可以覆盖移动通讯的2G/3G/4G频段,在实际应用中有一定的应用价值.

4.2 增益与方向图

如表1所示,在 880 MHz,1 750 MHz和2 500 MHz 3个典型频率点上,所设计天线增益的仿真结果均大于2 dB,符合移动终端对天线增益的需求.

图 10是天线在 880 MHz,1 750 MHz,2 500 MHz 3个频率点的辐射方向图,显然,在水平面上,辐射方向图呈近似圆形,表明天线在水平面上具有良好的全向接收性能,符合实际需求.

图9 单极子手机天线的S11
Fig.9 The S11curve of monopole antenna

表1 天线在各频率点的增益
Tab.1 The gain of the antenna at each frequency

图10 手机天线各谐振频率的方向图
Fig.10 The direction of the frequency of the mobile

5 结论

基于单极子手机天线的原理,利用HFSS仿真软件优化设计了一款多频段4G单极子手机天线,手机天线的带宽较宽,能够覆盖 GSM 900(850 MHz~ 960 MHz),DCS 1800(1 710 MHz~ 1 880 MHz),PCS 1900(1 850 MHz~1 990 MHz),UMTS 2100(1 920 MHz~ 2 170 MHz),LET 2300(2 300 MHz~2 400 MHz),WLAN /WIFI/Bluetooth(2 400 MHz~2 484 MHz),LET 2500(2 500 MHz~2 690 MHz)等频段.通过 U 型槽和 L 型槽的开槽技术,该手机天线谐振出两个频段,低频段从857 MHz~992 MHz,高频段从1 632 MHz~3 000 MHz,在这两个频段内回波损耗系数S11均小于-6 dB,满足手机天线的基本要求.天线尺寸较小,为39 mm×15 mm×6.5 mm.在各个频段里,该手机天线增益均大于2 dB,方向图较好,具有一定的实际应用价值.

参考文献:

[1]都淑明,赵明国.采用寄生单元的 PIFA 三频段手机天线的设计[J].遥测遥控,2011,32(5):51-53.

[2]杨虹,廖雪梅.一种五频 PIFA 手机天线设计[J].电子元件与材料,2015(1):100-101.

[3]褚庆昕,叶亮华.小型双频 E 形缝隙手机天线[J].电波科学学报,2010,25(6):1073-1075.

[4]曾文波,赵嘉.PBG 结构方形切角微带天线的设计[J].广西工学院学报,2007,18(4):57-59.

[5]雷传球.小尺寸多频段手机天线的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2013.

[6]DONG J,JIAO Y C WENG Z B,et al.A coupled-fed antenna for 4G mobile handset[J].Progress in Electromagnetics Research,2013,141(4):727-735.

[7]王安国,赵国煌,冷文,等.八频段手机天线设计[J].电波科学学报,2013,28(2):53-58.

Optimal design of a kind of multi-band 4G mobile phone antenna

CHEN Ying-hui,ZENG Wen-bo*
(School of Electric and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract:Based on the principle of monopole antenna,a novel planner antenna for 4G mobile phone is designed and optimized by using HFSS in this paper.The antenna consists of a radiation patch and two coupled branches,and the inverted L-shaped as well as a U-shaped coupled branch are introduced to achieve a multi-frequency characteristic.The return loss of proposed antenna is less than - 6 dB among the frequency bands of 857 MHz~992 MHz and 1 626 MHz~ 3 000 MHz,which meets the requirements of 4G applications in multi-frequency bands.Parameter studies are carried out by HFSS to investigate the key sizes which affect the impedance characteristics of the proposed antenna,and the result may give guidance for the design of this kind of antenna.

Key words:mobile phone antenna;multi frequency;planner antenna;HFSS

中图分类号:TN82

文献标志码:A

(学科编辑:张玉凤)

文章编号:2095-7335(2017)03-0092-05

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.03.015

收稿日期:2016-12-21

基金项目:广西自然科学基金项目(2015GXNSFAA139289)资助.

* 通信作者:曾文波,教授,硕士生导师,研究方向:平面天线,E-mail:abc90175@163.com.