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        一種新型智能手機(jī)的平面小型GPS天線的仿真研究

        2014-10-28 03:01:00張曉燕王國皓劉志偉
        關(guān)鍵詞:諧振器頻帶矩形

        張曉燕,王國皓,劉志偉

        一種新型智能手機(jī)的平面小型GPS天線的仿真研究

        張曉燕1,2,*王國皓1,劉志偉1,2

        (1. 華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院,江西,南昌 330013;2.東南大學(xué)微波毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇,南京 210096)

        提出了一種應(yīng)用于手機(jī)上的全向GPS天線。它覆蓋了兩個(gè)常用GPS頻段:1227.6 + / 10 MHz和1575.42 + /- 10 MHz,其回波損耗大于10 dB。天線的主輻射體由兩個(gè)矩形金屬片和四個(gè)三角形組成,總體尺寸為20 mm × 70 mm×0.8 mm。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)天線能達(dá)到GPS通信的要求。

        單極子天線;雙頻帶;全向性;GPS天線;共面波導(dǎo)饋電

        0 引言

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,移動(dòng)電話尤其是智能手機(jī)已不僅是一種通信設(shè)備,更多的是被作為微型計(jì)算機(jī)來處理日常問題。天線作為手機(jī)的核心部件之一,其性能也必須同時(shí)提高以滿足手機(jī)新功能需求。目前,WIFI,NFC,GPS等均已成為智能手機(jī)的必備功能。GPS通信有兩個(gè)常用頻段,因此要求所設(shè)計(jì)的天線也必須具有雙頻段特性。國內(nèi)外的研究人員投入了大量精力致力于多頻帶天線研究,如褚慶昕等人介紹的一種小型寬帶MIMO天線[1]。該天線覆蓋了2.5/3.5/5.5 GHz和2.4/5.2/5.8 GHzdu頻段,包括了WLAN , WiMAX和LUWB頻帶(3.1-4.8 GHz),天線尺寸為40 mm× 78 mm。除此之外,Roberto Caso也進(jìn)行了相關(guān)的研究[2],并提出了一種應(yīng)用于DVB-T和WLAN的PIFA雙頻帶天線。它被設(shè)計(jì)集成在顯示器安裝裝置上,并且相對于普通的PIFA天線[3],表現(xiàn)出降低的電尺寸效果。在470-862兆赫茲(59%帶寬)的DVB-T和2400至2484 MHz(2.7%帶寬) WLAN頻帶,分別測得反射系數(shù)小于-6 dB與-10 dB。目前應(yīng)用于GPS通信的天線大都采用立體結(jié)構(gòu),最常見的有鞭天線,喇叭天線等,而文獻(xiàn)[4]也給出了一種應(yīng)用于導(dǎo)彈前端的GPS天線,雖然與傳統(tǒng)天線相比體積已經(jīng)縮小許多,但其立體結(jié)構(gòu)使其應(yīng)用范圍受到極大限制。將GPS頻段和通信頻段相結(jié)合,設(shè)計(jì)出覆蓋多頻段的手機(jī)天線是現(xiàn)在手機(jī)天線設(shè)計(jì)的主流[5-7],這種設(shè)計(jì)帶來的缺點(diǎn)是手機(jī)天線具有多頻帶特性或UWB帶寬使得電話設(shè)備更容易受到干擾,例如MIC、CPU等核心部件等。因此,本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立于手機(jī)通信天線之外的GPS定位天線。該天線結(jié)構(gòu)緊湊,易于集成,只工作在GPS通信頻段,減少了對通信設(shè)備及通話功能的干擾。

        平面單極子天線由于其成本低,重量輕,易于加工,以及具有良好的全向性等特點(diǎn),是平面GPS天線的理想結(jié)構(gòu)[8]。在本文中,我們設(shè)計(jì)了一種微型GPS天線,該天線將很方便的地安裝在手機(jī)底部,并且在增益上表現(xiàn)出良好的性能。

        1 天線設(shè)計(jì)

        圖1給出了所設(shè)計(jì)的雙頻段平面單極天線的平面結(jié)構(gòu)圖。它由三部分組成:輻射貼片,矩形微帶線和兩個(gè)刻有U型槽的矩形地面。輻射貼片的幾何設(shè)計(jì),是由四個(gè)三角形和不同大小的兩個(gè)矩形的組成,用以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配作用。此外,實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn),SMA連接器的焊接會影響實(shí)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此,為了得到更為可靠的仿真結(jié)果,在建模過程中同時(shí)建立標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器模型。兩個(gè)矩形地上分別蝕刻出兩個(gè)U型槽,作為兩個(gè)諧振器。諧振器所產(chǎn)生的諧振頻率為1227.6 ±10 MHz,實(shí)現(xiàn)了GPS天線的低頻段覆蓋。U型槽的長度為2×L1+W1,由四分之一波長原理得出,詳細(xì)的天線尺寸如表1所示。

        表1 天線變量數(shù)值

        2 結(jié)果與討論

        (a)天線實(shí)測回波損耗圖

        (b)天線仿真回波損耗圖

        圖2 天線S參數(shù)仿真及實(shí)測結(jié)果對照圖

        Fig.2 The sll parameter for the antenna

        圖2為該天線的S參數(shù)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較(a為實(shí)測結(jié)果,b為仿真結(jié)果)。從圖2可以看出,該天線從1210 MHz到1230 MHz和1516 MHz到1700 MHz頻段內(nèi),回波損耗大于10 dB的,說明該天線在這兩個(gè)GPS頻段內(nèi)能夠正常工作?,F(xiàn)有的GPS天線大都工作在1.57 GHz頻段,這也是本設(shè)計(jì)與現(xiàn)有天線的最大區(qū)別。在兩個(gè)諧振頻率之間,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果有較大誤差,其原因在于焊接SMA接頭時(shí),焊錫造成阻抗匹配發(fā)生變化,焊接點(diǎn)起到了增加耦合的作用,使兩個(gè)頻段耦合在一起。

        圖3 無刻槽情況下的天線回波損耗

        圖4 刻U型槽后的天線電流分布圖

        圖3給出了沒有U型槽時(shí)的回波損耗。從圖2與圖3的對比我們可以看出,U型槽在該結(jié)構(gòu)中起到諧振器作用,產(chǎn)生了1210 MHz到1230 MHz的頻率段。通過對該頻段電流分布圖3分析,發(fā)現(xiàn)該頻段電流主要集中在U型槽附近,進(jìn)一步證明U槽所起到的諧振作用[9]。由天線的主輻射體產(chǎn)生1.57 GHz的常用工作頻段,由U形槽產(chǎn)生1.21 GHz的第二個(gè)工作頻段,最終實(shí)現(xiàn)天線的雙頻段覆蓋,這是本設(shè)計(jì)的工作原理。兩個(gè)頻段的回波損耗均小于-10dB。說明該天線在GPS頻段內(nèi)能夠正常工作。圖3刻U型槽后的天線電流分布圖。從圖2的對比我們可以看出U型槽在該結(jié)構(gòu)中起到諧振器作用,產(chǎn)生了1210 MHz到1230 MHz頻率段。通過對該頻段電流分布圖(圖4)分析,發(fā)現(xiàn)該頻段電流主要集中在U型槽附近,進(jìn)一步證明U槽所起到的諧振作用。

        圖5給出了所設(shè)計(jì)天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖。仿真結(jié)果顯示在兩個(gè)工作頻段內(nèi),該天線具有良好的全向性。

        1.2GHz

        1.57GHz

        圖.5 輻射方向圖(1.2GHz, 1.57GHz)

        Fig.5 Radiation Pattern(1.2Ghz 1.57Ghz)

        3 結(jié)論

        本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在手機(jī)上的小型GPS天線。該天線的主體部分采用單極子結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)頻段覆蓋的情況下保證了天線遠(yuǎn)場區(qū)輻射方向圖具有全向性,同時(shí)采用縫隙結(jié)構(gòu),充分利用天線地面部分的面積,產(chǎn)生了1.21 GHz的工作頻段,使得該設(shè)計(jì)在安裝到手機(jī)內(nèi)部時(shí)并不需要額外占用電路板空間。該天線覆蓋了兩個(gè)常用GPS頻段,并且在各個(gè)頻帶內(nèi)表現(xiàn)出良好的全向性。經(jīng)過HFSS仿真和實(shí)測對比,該天線能夠在GPS的兩個(gè)頻段內(nèi)正常工作。通過對天線遠(yuǎn)場區(qū)的輻射方向圖觀察,也可以看出天線在工作頻段內(nèi)具有全向性,符合GPS點(diǎn)對多點(diǎn)通信的要求。與傳統(tǒng)的手機(jī)GPS天線相比,它采用獨(dú)立的射頻器件,能夠避開對通信天線的干擾。

        [1] Li J F, Chu Q X, Huang T G. A Compact Wideband MIMO Antenna With Two Novel Bent Slits [J]. IEEE Transactions on antennas and propagation , 2012,60(2):482-489.

        [2] Roberto Caso, Andrea D’Alessandro and Giuliano Manara. A Compact Dual-Band PIFA for DVB-T and WLAN Applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation[J].2012,60(4) :2084-2087

        [3] Hsiao F R, Wong K L. Compact Planar inverted 2F Patch antenna for t ripple frequeney Operation [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2002,33(2):459-462

        [4] Jae-Hoon Bang, Member Bayanmunkh Enkhbayar, Dong-Hyun Min, and Bierng-Chearl Ahn. A Compact GPS Antenna for Artillery Projectile Applications [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, 10 :266-269

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        [6] Ali Foudazi, Hamid Reza Hassani, and Sajad Mohammad ali nezhad. Small UWB Planar Monopole Antenna With Added GPS/GSM/WLAN Bands[J]. IEEE Transactions on antennas and propagation, 2012, 60(6):2987-2992

        [7] Youbo Zhang, Yuan Yao, Junsheng Yu, et al. Design of A Novel Quad-band Circularly Polarized Handset Antenna [c]. ISAP 2013, Nanjing, China.

        [8] 鐘順時(shí). 微帶天線理論與應(yīng)用 [M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991: 2-5.

        [9] 姜宇,肖鴻,劉興鵬,等. 共面波導(dǎo)寬頻帶微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)與分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,30 (10):1180-1184.

        STUDY ON THE SIMULATION OF A NOVEL SMARTPHONE ANTENNA FOR GPS EQUIPMENT

        ZHANG Xiao-yan1,2,*WANG Guo-hao1,LIU Zhi-wei1,2

        (1.School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang, Jiangxi 330013 China;2.Southeast university microwave millimeter wave state key laboratory, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

        An Omni-directional micro-strip antenna for GPS equipment on mobile phone is proposed. It covers two common bands for GPS: 1227.6+/-10MHz and 1575.42+/-10MHz, which its return loss is greater than 10dB. With the radiation patch and two rectangular grounds, the size of the presented antenna is 20mm×70mm×0.8mm. By the simulated results we can draw a conclusion that the antenna reaches the requirements for GPS communication.

        monopole antenna, dual-band antenna, omnidirectional, GPS, coplanar waveguide

        TP391.9

        A

        10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.013

        1674-8085(2014)03-0055-04

        2013-12-09;

        2014-01-11

        國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61061002),毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(K201325),江西省教育廳項(xiàng)目(GJJ13352),江西省科技廳項(xiàng)目(20122BAB211018),江西省教育廳項(xiàng)目(GJJ13321),江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2013-S158)

        張曉燕(1979-),女,云南楚雄人,副教授,博士,主要從事計(jì)算電磁學(xué)、天線設(shè)計(jì)研究(E-mail:xy_zhang3129@sina.com);

        *王國皓(1989-),男,山東即墨人,碩士生,主要從事天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究(E-mail:wguoh178@163.com);

        劉志偉(1982-),男,江西南昌人,講師,博士,主要從事計(jì)算電磁學(xué)研究(E-mail:zwliu1982@hotmail.com).

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