王安國 趙國煌 冷 文 陳 彬

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

引 言

隨著移動通信的發(fā)展，應(yīng)用于手機(jī)上的頻段也越來越多，這就要求手機(jī)不但具有良好的兼容性，而且可同時工作在多頻段上.這對于手機(jī)內(nèi)置天線提出了更高的要求，既要滿足小型化要求，同時應(yīng)能工作于多頻段.

對于手機(jī)內(nèi)置天線的研究，很多研究者做了大量的工作［1－5］，設(shè)計出了能同時工作在雙頻段或三頻段的小型化手機(jī)天線，可滿足當(dāng)前手機(jī)工作頻段要求.然而，其最低頻段僅限制在全球通信移動系統(tǒng)（Global System For Mobile Communications，GSM）頻段上，尚不滿足未來LTE的發(fā)展需求.

長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）是3G技術(shù)的演進(jìn)，其中710MHz是LTE的一個重要頻率，一般移動設(shè)備有限的體積與710MHz較大的波長給設(shè)計師們提出了苛刻的要求.文獻(xiàn)［6］～［10］采用印刷式平面天線，應(yīng)用在LTE、全球移動通信系統(tǒng)GSM和集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）等頻段上，實現(xiàn)較為方便，但它們占用了手機(jī)電路板中的較大面積，給其他電路布局帶來困難.文獻(xiàn)［11］～［14］采用折疊和彎曲貼片技術(shù)來解決面積占用問題，但可覆蓋的頻段較少.在多頻段天線設(shè)計中，為了獲得良好的匹配特性，可通過接地面修正等措施［15－16］，但這種方法的改進(jìn)范圍較小.本文提出一種單天線設(shè)計，該天線利用平面倒F天線（Planar Inverted－F Antenna，PIFA）原理和諧振電流的分流效應(yīng)，設(shè)計其中四條帶線分別諧振所需頻段，能夠同時覆蓋LTE700（698～862MHz）/2 300（2 305～2 400MHz），AMPS800（824～894MHz），GSM900（880～960MHz），DCS1800（1 710～1 880 MHz），ISM/Bluetooth （2 400 ～ 2 480MHz），WLAN（2 400～2 483MHz）和 WiMAX（3 400～3 600MHz）八個服務(wù)頻段，再通過一條帶線連接到接地面，該天線能夠很好地通過控制各個帶線的長度來獲得所需的頻段.

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1（a）為天線的3D整體結(jié)構(gòu)圖，圖1（b）為除接地面外的天線輻射單元未折疊時的平面結(jié)構(gòu)圖.在圖1中可以看出天線具有比較簡單的結(jié)構(gòu)，為了便于分析，帶線均用數(shù)字1到6依次標(biāo)出.

天線輻射單元經(jīng)折疊后，置于介質(zhì)板的前端，并且通過超小 A 型（Sub－Miniature－A，SMA）接頭饋電，其中，U型帶線（帶線1）和接地面相連接.整個輻射單元采用厚度為0.2mm的黃銅片制作，折疊后整個體積為37mm×20mm×7mm，介質(zhì)采用介電常數(shù)為4.4的環(huán)氧樹脂（FR4）材料，考慮到目前手機(jī)尺寸的趨勢，介質(zhì)板的面積選為38mm×120 mm.

對于一般的方形貼片來講，諧振頻率主要是通過如下公式

式中：f0為所需諧振頻率；c為真空中的光速；L和W分別為方形貼片的長度和寬度，而對于本設(shè)計中帶線來講，寬度W可以忽略，式（1）可表示為

在圖1（b）中，輻射單元通過SMA接頭饋電后，電流分為兩路，一路是從A點流經(jīng)帶線2上的B點，再到D點，該電流流經(jīng)的路徑長為72.5mm（約0.227λ，諧振頻率為940MHz）；另一路是從 A點流經(jīng)帶線2上的B點、輻射貼片上的C點、G點，再到帶線3上的E點，電流流經(jīng)的路徑長為101.4 mm（約0.23λ，740MHz的諧振頻率），產(chǎn)生了可覆蓋LTE700/AMPS800/GSM900的第一個工作頻段.從A點到帶線5上的F點的電流路徑（四分之一波長）產(chǎn)生覆蓋ISM/Bluetooth和 WLAN的第二個工作頻段.當(dāng)電流流過輻射貼片邊緣時，從輻射貼片上的C點到G點的電流路徑長度為25.6mm（約0.298λ），它在對第一個工作頻段產(chǎn)生影響的同時，也激勵出了3.5GHz的WiMAX頻段.

從圖2可以看出，添加帶線6后出現(xiàn)了1.8 GHz諧振頻率，且擴(kuò)寬了第三個工作頻段.處于1.8 GHz的頻段為1.68～1.92GHz，滿足DCS1 800和LTE2 300這兩個頻段的帶寬要求.

圖2 天線在添加帶線6前后的反射系數(shù)仿真圖

在添加帶線6的時候，需要考慮饋電線和帶線6之間的間隙LR對整體性能的影響，圖3給出LR對手機(jī)天線反射系數(shù)的影響.從圖中可以看出當(dāng)LR的長度變化時，對第二個和第四個工作頻段影響較大.在設(shè)計中，為滿足帶寬要求，選LR＝0.8mm.

圖3 LR對手機(jī)天線反射系數(shù)的影響

為了能夠獲得更好的匹配特性，在帶線4上延長了一小段的短截線Ladd，用于調(diào)整整體的匹配特性.圖4中給出不同長度Ladd對天線反射系數(shù)的影響，同LR相似，Ladd對第二個工作頻段和第四個工作頻段影響較大.當(dāng)Ladd＝1.5mm時，整體匹配性能較好，天線能滿足 DCS，ISM/Bluetooth、WLAN和WiMAX這四個工作頻段的帶寬要求.

圖4 不同長度的Ladd對八頻段天線反射系數(shù)影響的仿真結(jié)果

2 實驗結(jié)果及分析

所提出的八頻段手機(jī)天線經(jīng)過軟件Ansoft HFSS仿真優(yōu)化后，再進(jìn)行加工制作，實際中測試均通過微波矢量儀 Agilent E5071B（300kHz～8.5GHz）測得.圖5和圖6分別給出了反射系數(shù)和電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）的仿真和實際測量結(jié)果，仿真和實測結(jié)果基本吻合.通常來講，－6 dB反射系數(shù)可以作為測試手機(jī)天線反射系數(shù)性能好壞的一個臨界值，而駐波比可以由反射系數(shù)轉(zhuǎn)換而來，S11≤－6dB對應(yīng)VSWR≤3.

從圖5中可以看出，第一個工作頻段分別諧振在740MHz和940MHz上，該頻段從0.68GHz到1GHz，具有320MHz的帶寬，覆蓋到了LTE700、AMPS800、GSM900這三個服務(wù)頻段.

圖5中的第二個工作頻段諧振在1.8GHz上，有320MHz的帶寬（1 580～1 920MHz），同樣滿足DCS1800頻段的要求.第三個工作頻段諧振在點2.28GHz，該頻段帶寬有340MHz，可很好地應(yīng)用在ISM/Bluetooth、LTE2300和 WLAN這三個服務(wù)頻段上.最后的一個工作頻段同樣也具有較寬的帶寬，從3.3GHz到3.69GHz，其390MHz帶寬可覆蓋WiMAX頻段.

與圖5中的數(shù)據(jù)一樣，圖6中給出的駐波比仿真和實測數(shù)據(jù)圖兩者數(shù)據(jù)基本吻合.在VSWR≤3情況下，各個頻段點所覆蓋的帶寬基本滿足八個頻段的要求.

在手機(jī)天線設(shè)計中，接地面的長度對天線性能的影響較大，所以，在天線設(shè)計時，接地面的長度應(yīng)予以考慮.圖7給出了接地面長度對反射系數(shù)特性的影響.可以看出，接地面的長度對天線的第一、第二和第四個工作頻段有較大的影響作用，長度越長對第四個工作頻段影響越大，直接影響到其帶寬.當(dāng)接地面的長度為120mm時，天線能獲得較好的匹配特性.

方向圖是天線的重要指標(biāo)之一，從圖8的實測方向圖可以看出，在x－z和y－z平面上，790MHz頻點對應(yīng)的方向圖與四分之一波長的全向單極子天線的方向圖相似，且在y－z平面上具有全向性.在其他的各個頻段上的方向圖也都呈現(xiàn)全向性，滿足天線的全向性要求.

圖9給出了所設(shè)計的八頻段手機(jī)天線實測輻射效率和增益，對第一個工作頻段來講，增益從1.47 dBi變化到4.12dBi，且輻射效率均大于50%.第二個工作頻段中，增益從1.69dBi漸變到4.81dBi，輻射效率也從65.8%到80.3%.第三和第四工作頻段中，與第一、第二頻段相比增益變化幅度較小，分別從3.62dBi變化到4.41dBi和從4.32dBi到4.72 dBi，其輻射效率也分別跟隨著變化，依次是從51.247%至75.32%和從63.51%至77.41%.

3 結(jié) 論

提出了一種適應(yīng)于手機(jī)終端上的八頻段天線，該天線除去接地面后總體積為37mm×20mm×7mm.實測結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合.天線的每個諧振頻點均可通過修正各自相應(yīng)的帶線長度，該天線適用于LTE700/2 300、AMPS800、GSM900、DCS1 800、ISM/Bluetooth、WLAN、WiMAX等無線通信頻段.

［1］CIAIS P，STARAJ R，KOSSIAVAS G，et al.Compact internal multiband antenna for mobile phone and WLAN standards［J］.Electronics Letters，2004，40（15）：920－921.

［2］徐自強(qiáng)，鄭 軼，楊邦朝，等.小型化低溫共燒陶瓷瓦片式天線研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2011，26（5）：850－854.XU Ziqiang，ZHENG Yi，YANG Bangchao，et al.Compact chip antenna based on LTCC technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（5）：850－854.（in Chinese）

［3］YEH S H，WONG K L，CHIOU T W，et al.Dualband planar inverted F antenna for GSM/DCS mobile phones［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（5）：1124－1126.

［4］謝建精，何曉華，章堅武.一種寬帶小型化的三頻PIFA天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2010，25（6）：1219－1224.XIE Jianjing，HE Xiaohua，ZHANG Jianwu.A triband planar inverted－F antenna with wide band and small size［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（6）：1219－1224.（in Chinese）

［5］丁 君，張 勇，袁國靖.一種GSM寬帶雙頻外置螺旋天線的設(shè)計與制作［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2006，21（2）：298－301.DING Jun，ZHANG Yong，YUAN Guojing.Design and fabricating of GSM broadband dual－frequency exterior helix antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（2）：298－301.（in Chinese）

［6］褚慶昕，葉亮華.小型雙頻E形縫隙手機(jī)天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2010，25（6）：1073－1078.ZHU Qingxin，YE Lianghua.Compact dual－band E－shaped slot antenna for mobile phone application［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（6）：1073－1078.（in Chinese）

［7］TUAN T M.Design dual band microstrip antenna fornext generation mobile communication ［C］//International Conference on Advanced Technologies for Communications.Ho Chi Minh City，October 20－22，2010：331－335.

［8］LIN Yifang，CHEN Huaming，LIN Cheyen，et al.Planar inverted－L antenna with a dielectric resonator feed in a mobile phone［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（10）：3342－3346.

［9］CHU F H，WONG K L.Planar printed strip monopole with a closely－coupled parasitic shorted strip for eight－band LTE/GSM/UMTS mobile phone［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（10）：3426－3431.

［10］CHEN Wenshan，LIU Yiting，HSU W H.Multifrequency printed loop antenna for mobile phone application［C］//International Symposium on Antennas and Propagation.Spokane，July 3－8，2011：1926－1928.

［11］LIN C C，CHEN H T，WONG K L.A folded metalplate monopole antenna for multiband operation of a PDA phone［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2003，39：135－138.

［12］CHEN H T，WONG K L，CHIOU T W.PIFA with a meandered and folded patch for the dual－band mobile phone application［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（9）：2468－2471.

［13］高 揚，張志軍，陳文華，等.超小型設(shè)備上的雙頻帶天線設(shè)計［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2009，24（5）：944－947.GAO Yang，ZHANG Zhijun，CHEN Wenhua，et al.Dual－band antenna on miniature equipment［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：944－947.（in Chinese）

［14］LEE W Y，JEONG Y S，LEE S H，et al.Internal mobile antenna for LTE/DCN/US－PCS［C］//Proceedings of Asia－Pacific microwave Conference.Yokohama，December 7－10，2010：2240－2243.

［15］ABEDIN M F，ALI M.Modifying the ground plane and its effect on planar inverted－f antennas（PIFAs）for mobile phone handsets［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2003，2（1）：226－229.

［16］LIU C C，LIN Y F，LIANG C M，et al.Miniature internal penta－band monopole antenna for mobile phones［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2010，58（3）：1008－1011.