張曉燕，王國(guó)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(guó)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(guó)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(lái)處理日常問(wèn)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(guó)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(duì)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(cè)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(jiàn)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(lái)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(duì)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?cè)O(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(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，SMA連接器的焊接會(huì)影響實(shí)測(cè)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(guò)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(zhǎng)度為2×L1+W1，由四分之一波長(zhǎng)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(cè)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(cè)結(jié)果對(duì)照?qǐng)D

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(cè)結(jié)果的比較(a為實(shí)測(cè)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(shuō)明該天線在這兩個(gè)GPS頻段內(nèi)能夠正常工作。現(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(cè)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(wú)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(méi)有U型槽時(shí)的回波損耗。從圖2與圖3的對(duì)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(guò)對(duì)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(shuō)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(duì)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(guò)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)HFSS仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比，該天線能夠在GPS的兩個(gè)頻段內(nèi)正常工作。通過(guò)對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)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(kāi)對(duì)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

[5] Ding Y, Du Z W, Gong K, et al. A novel dual-band printed diversity antenna for mobile terminals [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007,55(7): 2088-2096.

[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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61061002)，毫米波國(guó)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(zhuān)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(guó)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).