劉 蕊，何 偉

(1.北京信息職業(yè)技術學院，北京 100070;2.諾基亞中國投資有限公司，北京 100176)

責任編輯:薛 京

隨著無線通信的發(fā)展和電子產(chǎn)品應用的普及，天線設計遇到了越來越多的挑戰(zhàn)。尤其在手機終端，寬帶化、小型化、低剖面、高效率成了天線設計的主要考慮因素。天線性能對物理尺寸有很強的依賴性，天線尺寸越大則帶寬越寬，天線尺寸越小則帶寬越窄。如何在保證天線物理尺寸不變的情況下，提高天線的頻帶寬度，一直是當今世界的研究熱點。本文正是針對目前行業(yè)的這一現(xiàn)狀，提出一種新型的拓展天線帶寬的設計。

目前針對拓展天線帶寬的設計，主要方法有增大天線體積、加載寄生單元、使用周期性天線結構、采用阻抗匹配方案等［1－2］。常用的寬帶化設計有采用曲流技術實現(xiàn)對PIFA天線進行小型化優(yōu)化［3］，而在保持天線尺寸不變的情況下可采用優(yōu)化手機地平面的結構尺寸來有效提高天線帶寬［4－6］，或者通過在手機地平面上開一個或者多個槽的方式來有效拓展GSM850或者DCS1800的頻率帶寬［7－8］。更進一步地，通過在手機地平面上開槽，并加入電感的方式有效改變地平面的工作模式，以得到最大天線帶寬［9］。

在綜合考慮以上研究的基礎上，本文采用通過在手機天線對立邊的地平面上加載寄生單元，達到擴展帶寬的目的。

1 天線基本結構

天線的基本結構、尺寸參數(shù)如圖1所示。為實現(xiàn)低剖面天線設計，天線與加載接地單元和地平面均在同一平面，其整體的尺寸為105 mm×45 mm×1 mm，采用FR4介質板，介電常數(shù)為4.4。天線區(qū)域為45 mm×10 mm。為了同時擴展GSM850和DCS1800頻段的帶寬，在地平面天線的另一側加載了一個面積為45 mm×5 mm的接地單元。其中點A為饋電點，點B和點C為接地點。天線的輻射性能很大程度上和加載單元的形狀和尺寸有關，恰當?shù)募虞d單元設計能有效拓展天線的帶寬，提高輻射效率。如圖1b所示，加載單元主要由兩個枝節(jié)組成，分別用于拓展GSM850和DCS1800的帶寬。

2 仿真結果與分析

本文通過CST(CST Microwave Studio)仿真軟件進行數(shù)值模擬，首先驗證加載單元主要尺寸參數(shù)對天線阻抗特性的影響，然后通過數(shù)值模擬優(yōu)化，得到一組最佳的加載單元尺寸，最終設計出一個新型的低剖面寬帶手機天線。

2.1 M對阻抗特性的影響

圖1 天線結構

圖2為L=32 mm，S=0.5 mm的情況下，所得到的S11參數(shù)對應M的變化。從圖中可以看出，隨著M的增大，GSM850頻段的諧振點往低偏移，天線的阻抗帶寬(按回波損耗低于－6 dB計)降低;DCS1800頻段的諧振點雖然也在往低偏移，同時天線的阻抗帶寬在不斷增加。

圖2 參數(shù)M對阻抗特性的影響

2.2 L對阻抗特性的影響

圖3為M=25 mm，S=0.5 mm的情況下，所得到的S11參數(shù)對應L的變化。從圖中可以看出，隨著L的增大，GSM850頻段的諧振點基本不移動，天線的阻抗帶寬基本無變化;DCS1800頻段的諧振點往低偏移，同時天線的阻抗帶寬不斷增加。

2.3 仿真實例

圖3 參數(shù)L對阻抗特性的影響

通過仿真軟件CST對該天線進行數(shù)值模擬，優(yōu)化加載單元尺寸，確定最終的天線尺寸為:L=32.5 mm，M=23 mm，S=0.5 mm。圖4給出了無加載單元的天線和優(yōu)化尺寸后的有加載單元的天線回波損耗的對比。結果表明:原始天線回波損耗低于－6 dB的阻抗帶寬為0.80～0.86 GHz，1.76 ～1.88 GHz。加載接地單元后，天線在850 MHz和1 800 MHz附近分別出現(xiàn)了另一諧振，－6 dB的阻抗帶寬拓展為0.78 ～0.90 GHz，1.708 ～1.880 GHz?？梢娂虞d接地單元的天線在低頻和高頻分別實現(xiàn)了雙諧振工作，帶寬已經(jīng)得到大大拓展。

圖4 回波損耗

3 天線的制作和測試

根據(jù)仿真優(yōu)化得到的最終天線尺寸參數(shù)，制作天線實物如圖5所示。天線選取0.05 mm厚的銅皮，襯底為FR4介質板，介電常數(shù)為4.4。在其饋電點焊接一個50 Ω的同軸線連接頭，以便測試連接。使用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡分析儀E5071C進行測試，可以看出天線實測的S11和仿真結果有較好的一致性，具體如圖6所示。

圖5 實際制作天線圖(照片)

圖6 回波損耗:仿真和測試的對比

圖7 天線輻射方向圖(單位dBi)

圖7 給出了天線在 850 MHz，890 MHz，1 720 MHz和1 800 MHz方向圖結果。從圖中可以看出，天線在全頻段都具有較好的全向輻射特性，可以接收來自于各個方向的信號，天線的實用性較強。

4 結束語

在手機終端通信中，天線是影響通信性能的關鍵器件，因此手機天線的研究和設計具有十分重大的意義。本文提出了通過在手機天線的對立邊加載接地寄生單元，設計了一種新型的低剖面寬帶手機天線，與原始天線相比該新型天線有效地在GSM850頻段和DCS1800頻段分別拓展了100%和43%的相對帶寬，實現(xiàn)了寬帶化，符合GSM通信需求，且天線結構簡單，加工方便，有較好的實用前景。

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