褚慶昕 葉亮華

(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院,廣東廣州510640)

1.引 言

隨著現(xiàn)代移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展,具有小型化、寬頻帶、低成本、易制作等特性的多頻天線已經(jīng)成為現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中最重要的電路組成器件之一,并引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。例如,如果要同時覆蓋第一代移動通信系統(tǒng)GSM850/900,第二代移動通信系統(tǒng)GSM1800/1900/DCS/PHS/PCS,以及最近推出的第三代移動通信系統(tǒng) TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000/UMTS等通信頻段,就需要天線工作在多個頻段。

印刷縫隙天線具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、成本低且易與其他微波電路相集成等特性,引起了天線研究人員的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[4-5]中提出了幾種終端開路的1/4波長縫隙天線,與傳統(tǒng)的半波長縫隙天線[6-7]相比,這些天線的尺寸減小了一半左右,但這些天線只工作在單個頻段,不能滿足多個通信系統(tǒng)的要求。為了使天線工作在多個通信頻段,文獻(xiàn)[8]提出了一種組合縫隙天線,天線的輻射單元由兩個長度不同的半波長縫隙單極子構(gòu)成,并由它們分別輻射產(chǎn)生兩個工作頻段,但天線的尺寸較大,不利于實(shí)現(xiàn)與前端電路的集成化設(shè)計。文獻(xiàn)[9]中提出了單個U形縫隙手機(jī)天線的設(shè)計,該天線由U形縫隙天線諧振產(chǎn)生的1/4和半波長諧振頻率分別產(chǎn)生高低頻通帶,但天線的高低帶寬較窄,不能覆蓋Bule-Tooth/WLAN 2400和 WiMAX2600通信頻段,且天線所占的尺寸也較大。

基于多頻縫隙天線的研究,提出了一種E形縫隙多頻天線的設(shè)計方法,設(shè)計了一副工作在GSM900/1800/1900/DCS/PCS/BuleTooth/UMTS/WLAN2400/WiMAX2600等通信頻段的手機(jī)天線。天線采用E形縫隙作為輻射單元,能在500～3000 MHz產(chǎn)生3個諧振頻率并實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。E形縫隙的終端開路,且結(jié)構(gòu)緊湊,減小了天線的尺寸,同時,天線在各通信頻段內(nèi)的輻射方向圖都具有良好的全向性,具有較好的實(shí)用價值。

2.天線設(shè)計與仿真

天線印制在一塊厚度為1.6 mm、相對介電常數(shù)為4.4的FR4印刷電路基板上,天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線的輻射單元為E形縫隙,E形縫隙結(jié)構(gòu)緊湊,且雕刻在地板的頂部,減小了天線的尺寸。E形縫隙天線采用階梯微帶線饋電方式,確保天線在較寬的頻帶內(nèi)獲得良好的阻抗匹配。天線的地板的長度為94 mm、寬度為40 mm,能滿足大部分手機(jī)天線的要求。

E形縫隙作為天線的輻射單元,印刷在地板的頂部,中間縫隙枝節(jié)(A)終端開路。E形縫隙天線可以分解為三條諧振路徑縫隙天線,即從枝節(jié)A分別到枝節(jié)B和C形成的兩條1/4波長開路縫隙天線,和從枝節(jié)B到枝節(jié)C形成的傳統(tǒng)半波長縫隙天線。作為諧振型天線,可以通過調(diào)整各諧振路徑的設(shè)計參數(shù),來控制它們的諧振頻率。E形縫隙三條諧振路徑的基本諧振頻率(分別為 f1、f2和 f3)可以分別通過下面的等式得到

式中:L11、L22和L33分別為諧振路徑1、2和 3的總長度;c為光速;εef f為有效介電常數(shù)。

根據(jù)上面的闡述,這種E形縫隙天線的設(shè)計步驟可以概括為如下:首先確定微帶線饋電結(jié)構(gòu)的尺寸,使饋電端口的特征阻抗約為50Ω;然后根據(jù)等式(1)～(3)確定E形縫隙各諧振路徑的初始長度,使各輻射單元能輻射產(chǎn)生給定的諧振頻率;最后調(diào)整天線其他的設(shè)計參數(shù)(如 L1、L 2、L3、W1)的尺寸,使天線具有良好的雙頻特性,滿足設(shè)計要求。根據(jù)上面闡述的設(shè)計步驟,首先應(yīng)用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線進(jìn)行了初始化設(shè)計,獲得天線的尺寸參數(shù)如圖1所示,天線所占的總尺寸為40 mm×14 mm ×1.6 mm.為了說明各諧振路徑的輻射特性,分別對各縫隙天線進(jìn)行了仿真(對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)與圖1中的尺寸相同),仿真的各縫隙天線的回波損耗如圖2所示。從圖中可以看出,當(dāng)只有諧振路徑1時,縫隙天線只在低頻產(chǎn)生單個諧振頻率;當(dāng)只有諧振路徑3時,天線只在高頻產(chǎn)生兩個諧振頻率;當(dāng)諧振路徑1、2和3組合在一起形成E形縫隙天線時,天線能產(chǎn)生3個諧振頻率,并由它們形成高低頻兩個通帶。

圖2 各縫隙天線的回波損耗

通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS仿真,圖3給出了E形縫隙天線的電流分布情況。從圖中可以看出,在低頻諧振頻率920 MHz時,電流主要聚集在諧振路徑1周圍,說明920 MHz諧振頻率是由諧振路徑1輻射產(chǎn)生的,即諧振路徑1是低頻段輻射單元;在1830 MHz時,電流主要集中在諧振路徑2周圍,由諧振路徑2輻射產(chǎn)生1830 MHz諧振頻率;在2380 MHz時,電流主要集中在諧振路徑3周圍,由諧振路徑3輻射產(chǎn)生2380 MHz諧振頻率。當(dāng)1830 MHz和2380 MHz諧振頻率耦合在一起時,就形成寬頻高頻通帶,即諧振路徑2和3縫隙是天線高頻段的輻射單元。從圖3中還可以看出,地板上的電流較小,有利于減小地板或其他手機(jī)器件對天線性能的影響。

在天線的設(shè)計過程中,如果知道天線的尺寸參數(shù)的變化對天線性能的影響規(guī)律,那么就可以快速有效地完成天線的設(shè)計。在不改變天線其他尺寸參數(shù)的情況下,我們知道了縫隙寬度對天線回波損耗的影響,如圖4所示。從圖中可見,縫隙寬度W1的變化對天線低頻段影響不大,但對高頻段影響較大,隨著W1的增大,高頻通帶的阻抗匹配得到改善。從上面的分析可以看出,通過改變縫隙天線的寬度,可以改變高頻通帶的阻抗特性。

圖4 縫隙天線寬度對天線性能影響

從上面的分析中可見,作為天線的輻射單元,E形縫隙的長度必定會對天線的輸入特性產(chǎn)生影響。因此,有必要研究E形縫隙的尺寸參數(shù)對天線性能的影響。圖5研究了天線的輸入特性隨E形縫隙的尺寸參數(shù)L1、L 2、L3變化的頻率特性曲線。從圖中可以看出,隨著L 1的增大,天線的第一個諧振點(diǎn)往高頻移動,而第二個諧振頻率點(diǎn)向低頻移動,這與表達(dá)式(1)和(2)相符合,即通過改變 L 1的長度,可以有效地控制天線的第一個和第二個諧振頻率;隨著L2的增大,天線的低頻通帶向低頻移動,而高頻影響較小,這與等式(1)相符,即改變 L 2的尺寸,可以有效地控制低頻諧振頻率;在其他尺寸不變的情況下,當(dāng)L3增大時,第二個諧振頻率向低頻移動,與等式(2)相符。從圖5中可見,通過改變L1、L2、L3的數(shù)值,可以有效地控制天線的各諧振頻率,改善天線的阻抗匹配。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證這種天線設(shè)計方法的有效性,基于圖1給出的天線尺寸,制作天線的樣品(實(shí)物如圖6所示),使用HP 5320A網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的輸入特性進(jìn)行了測試,天線仿真和實(shí)測的回波損耗如圖7所示。從圖中可以看出,仿真和實(shí)測的結(jié)果基本吻合,天線實(shí)測高低頻段阻抗帶寬分別為 870～965 MHz和1700～2720 MHz,能覆蓋 GSM 900/1800/1900/DCS/PCS/BuleTooth/UMTS/WLAN2400/WiMAX2600等通信頻段。

圖6 天線實(shí)物照片

測量了天線在900 MHz、2000 MHz和 2500 MHz頻率點(diǎn)上的E面(xz平面)和H面(xy平面)方向圖,如圖8所示。天線在H面具有比較好的全向性,可收發(fā)各個方向的信號。仿真和測量的輻射方向圖基本吻合,但有一定差異,這是因?yàn)樘炀€是在室外測試系統(tǒng)測量的,會受到周圍物體、天氣因素等影響。天線的增益如圖9所示,在低頻段(860～960 MHz)的增益大約為1.6～1.9 d Bi,在高頻段(1700

4.結(jié) 論

提出了一種雙頻E形縫隙天線的設(shè)計,實(shí)測的高低頻阻抗帶寬分別為870～965 MHz和1700～2720 MHz,實(shí)現(xiàn)了雙頻寬頻帶設(shè)計。天線的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低,而且具有較小的體積和較低的剖面尺寸,有利于實(shí)現(xiàn)與前端電路的集成化設(shè)計。同時該天線具有比較好的輻射方向特性,是一種性能較好、具有實(shí)用價值、能廣泛應(yīng)用于各種移動通信系統(tǒng)中的手機(jī)天線。

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