孫玉發(fā)　胡少啟　周東　王仲根　楊明

(1.安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230039;

2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,淮南 232001)

?

一種小型化八頻段可重構(gòu)手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

孫玉發(fā)1胡少啟1周東1王仲根2楊明1

(1.安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230039;

2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,淮南 232001)

摘要提出了一種新型頻率可重構(gòu)的手機(jī)天線(xiàn)，尺寸為43 mm×9 mm×3 mm.該天線(xiàn)由曲折饋電枝節(jié)、耦合枝節(jié)，以及多路射頻開(kāi)關(guān)(RF-Switch)組成.通過(guò)RF-Switch接入不同的電感改變天線(xiàn)的感抗值和帶線(xiàn)的有效電長(zhǎng)度，在低頻段得到了四種不同的工作狀態(tài)，天線(xiàn)的低頻帶寬顯著增加.研究結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)天線(xiàn)能夠很好地覆蓋長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)、無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)(Wireless Wide Area Network, WWAN)八個(gè)頻帶且頻段內(nèi)回波損耗小于-6 dB.實(shí)測(cè)表明天線(xiàn)具有良好的輻射效率和輻射增益，能夠?qū)崿F(xiàn)全向覆蓋，具有很好的應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞射頻開(kāi)關(guān);多頻段;頻率可重構(gòu);小尺寸手機(jī)天線(xiàn)

資助項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61172020，No.61401003); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(No.20123401110006);

安徽省振興計(jì)劃地方高水平大學(xué)建設(shè)(No.2013gx001)

聯(lián)系人： 孫玉發(fā) E-mail：yfsun_ahu@sina.com

引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，輕便、高傳輸速率、多功能成為移動(dòng)設(shè)備的新特點(diǎn).因此，小型化、多頻段、超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展有著重要的意義.可重構(gòu)天線(xiàn)[1-4]的提出與應(yīng)用可以很好地解決天線(xiàn)設(shè)計(jì)中小型化和多頻段覆蓋問(wèn)題.從目前的研究來(lái)看，傳統(tǒng)的單極子天線(xiàn)[5-6]，采用增大天線(xiàn)的尺寸和增加天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度來(lái)擴(kuò)展天線(xiàn)的工作頻段和帶寬，天線(xiàn)尺寸分別為65 mm×11 mm×8.5 mm和55 mm×10 mm×8 mm，很難應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備中,且制作加工難度大.文獻(xiàn)[7-9]中給出了三款利用PIN二極管作為開(kāi)關(guān)改變天線(xiàn)的輻射結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu).文獻(xiàn)[10]通過(guò)改變地板面積的大小實(shí)現(xiàn)了雙頻重構(gòu).但文獻(xiàn)[7-10]所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)覆蓋的工作頻段較少，不能夠很好地應(yīng)用于多功能移動(dòng)設(shè)備中.對(duì)于多頻段可重構(gòu)手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[11-12]提出了利用匹配橋和PIN二極管改變天線(xiàn)饋電結(jié)構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)了五頻段覆蓋，天線(xiàn)尺寸都為60 mm×5 mm×5 mm，且天線(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重構(gòu)方式機(jī)械，不適用于超薄手機(jī)設(shè)備.文獻(xiàn)[13-14]提出了利用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)可調(diào)電容和一些其他方法實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu).然而以上設(shè)計(jì)的天線(xiàn)并不能解決移動(dòng)設(shè)備的LTE/WWAN全頻段覆蓋，且制作加工復(fù)雜、成本高、尺寸較大、實(shí)際利用價(jià)值不大.

針對(duì)以上設(shè)計(jì)天線(xiàn)的不足，設(shè)計(jì)了一款新的頻率可重構(gòu)手機(jī)天線(xiàn).該天線(xiàn)通過(guò)RF-Switch控制接入不同值的電感，改變了天線(xiàn)的感抗值和有效電長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了頻率可重構(gòu).該天線(xiàn)能夠完成對(duì)移動(dòng)設(shè)備的LTE/WWAN全頻段覆蓋，具有重構(gòu)方式簡(jiǎn)單、尺寸小、頻帶寬、易于加工等優(yōu)點(diǎn).文中天線(xiàn)能夠覆蓋LTE700/GSM850/900、DCS1800/PCS1900/UMTS 2100/LTE2300/2500八個(gè)頻段(低頻段698～960 MHz，高頻段1 710～2 690 MHz),且回波損耗小于-6 dB，實(shí)測(cè)表明天線(xiàn)具有良好的輻射效率和增益，實(shí)用性很強(qiáng).

1頻率可重構(gòu)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示.天線(xiàn)被安放在介質(zhì)基板的左上角，背部地板采用鏤空處理.天線(xiàn)基板尺寸為120 mm×60 mm，介質(zhì)，基片材料采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為0.8 mm的環(huán)氧樹(shù)脂(FR-4).天線(xiàn)尺寸僅為43 mm×9 mm×3 mm，而背部地板鏤空尺寸為45 mm×10 mm，鏤空部分和天線(xiàn)之間微小的間隙將會(huì)降低耦合效應(yīng)對(duì)天線(xiàn)性能的影響.天線(xiàn)主要由帶線(xiàn)1、帶線(xiàn)2、回形帶線(xiàn)和RF-Switch(PE42440)四部分組成.其中帶線(xiàn)1、帶線(xiàn)2為兩個(gè)不同長(zhǎng)度的短路條，帶線(xiàn)1經(jīng)RF-Switch接地，帶線(xiàn)2則連接到射頻芯片的RFC端，通過(guò)RF-Switch選擇不同的電感作用于帶線(xiàn)2枝節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻段的頻率重構(gòu).回形帶線(xiàn)的長(zhǎng)度約為0.66λeff，λeff表示天線(xiàn)在諧振頻率點(diǎn)的有效波長(zhǎng)，可以計(jì)算為

(1)

圖1　天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)與尺寸

RF-Switch的原理圖如圖2(a)所示.利用RF-Switch多路選擇的特點(diǎn)，得到低頻段四種不同的工作狀態(tài).由圖2(b)可知，多路RF端口分別接上不同的電感，進(jìn)而改變天線(xiàn)枝節(jié)的有效電長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)四次頻率重構(gòu).RF-Switch功能表及工作狀態(tài)如表1所示，其中V2V1為RF-Switch控制輸入端.由表1可知經(jīng)過(guò)四次重構(gòu)可以得到680～752 MHz、728～825 MHz、810～885 MHz、866～990 MHz四個(gè)頻帶,能夠很好地覆蓋LTE700/GSM850/900三個(gè)工作頻段.

(a) RF-Switch芯片原理圖　(b) 等效電路圖圖2　RF-Switch芯片原理圖和等效電路

表1　RF-Switch芯片功能表及工作狀態(tài)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

天線(xiàn)實(shí)物如圖3所示.圖3(a)為天線(xiàn)的正面結(jié)構(gòu),RF-Switch由導(dǎo)線(xiàn)連接至5 V穩(wěn)壓電源.天線(xiàn)的回波損耗如圖4所示.仿真結(jié)果由Ansoft HFSS13.0仿真得到.由圖4可知，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，存在的偏差主要是由制作加工工藝和測(cè)試設(shè)備的影響造成.實(shí)測(cè)帶寬分別為:低頻段310 MHz(680～990 MHz)和高頻段1 010 MHz(1 690～2 700 MHz).能夠很好地覆蓋LTE/WWAN八個(gè)頻段.

(a) 正面

(a) 仿真

(b) 測(cè)試圖4　天線(xiàn)的回波損耗

為了更好地了解天線(xiàn)性能與結(jié)構(gòu)間關(guān)系，分別對(duì)天線(xiàn)的表面電流分布和輻射枝節(jié)對(duì)天線(xiàn)性能的影響進(jìn)行了討論.天線(xiàn)工作在不同頻率時(shí)的表面電流分布如圖5所示，此時(shí)RF-Switch工作在狀態(tài)2.由圖5可知，帶線(xiàn)2輻射枝節(jié)上有著很強(qiáng)的表面電流，低頻段諧振(0.84 GHz)主要由帶線(xiàn)2輻射枝節(jié)所產(chǎn)生.對(duì)于高頻諧振部分,其表面電流相對(duì)較弱，1.84 GHz是由回形帶線(xiàn)激發(fā)所產(chǎn)生，2.60 GHz則是由短路枝節(jié)帶線(xiàn)1激發(fā)所產(chǎn)生.

圖5　天線(xiàn)在不同頻率的表面電流分布

結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2和文中天線(xiàn)的回波損耗如圖6所示.由圖可知：結(jié)構(gòu)1(回形帶線(xiàn))單獨(dú)作用時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)頻率約為2 GHz的諧振點(diǎn)；結(jié)構(gòu)2(回形帶線(xiàn)和帶線(xiàn)1)作用時(shí)，結(jié)構(gòu)1產(chǎn)生的諧振點(diǎn)將會(huì)向左偏移，同時(shí)增加了一個(gè)高頻諧振點(diǎn).加入輻射枝節(jié)帶線(xiàn)2后，即文中天線(xiàn)，又增加了一個(gè)低頻諧振點(diǎn)，該諧振點(diǎn)由輻射枝節(jié)帶線(xiàn)2和回形帶線(xiàn)輻射枝節(jié)耦合激發(fā)產(chǎn)生.結(jié)合天線(xiàn)的表面電流分布，能夠充分說(shuō)明各枝節(jié)在天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的作用和對(duì)天線(xiàn)性能的影響.

天線(xiàn)在工作狀態(tài)2的實(shí)測(cè)輻射方向圖如圖7所示.由圖可知：0.84 GHz和2.60 GHz在xoz面(E面)表現(xiàn)出雙向輻射特性,對(duì)應(yīng)的方向圖與四分之一波長(zhǎng)的單極子天線(xiàn)方向圖相似，而在yoz面 (H面)具有很好的全向輻射特性；1.84 GHz時(shí)xoz面 (E面)和yoz面 (H面)輻射方向圖都呈現(xiàn)出全向性輻射特性，且增益變化幅度較小，交叉極化相對(duì)較小.

圖6　結(jié)構(gòu)1、 結(jié)構(gòu)2和文中天線(xiàn)的回波損耗

圖7　天線(xiàn)的輻射方向圖

由測(cè)試結(jié)果可知:文中天線(xiàn)能夠很好地滿(mǎn)足通信系統(tǒng)中全向輻射這一特點(diǎn)，具有穩(wěn)定的輻射性能.

天線(xiàn)效率和增益的測(cè)試結(jié)果如圖8所示.由圖8可知:在低頻段,由于天線(xiàn)工作狀態(tài)不同,天線(xiàn)的增益在0.7～2.3 dBi之間變化,天線(xiàn)的效率大于45%;在高頻段,天線(xiàn)增益在0.9～2.8 dBi之間變化,天線(xiàn)效率大于40%.能夠很好地滿(mǎn)足手機(jī)通信系統(tǒng)的要求,具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值.

(a) 低頻段

(b) 高頻段圖8　天線(xiàn)的增益和效率

表2　天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、尺寸及覆蓋帶寬比較

文中天線(xiàn)與文獻(xiàn)[6]、[12]中的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、尺寸及覆蓋頻段對(duì)比如表2所示.由表2可知：文獻(xiàn)[6]中天線(xiàn)采用T形單極子結(jié)構(gòu)，雖能覆蓋八個(gè)手機(jī)工作頻段，但天線(xiàn)尺寸較大，8 mm的天線(xiàn)高度很難適用于超薄手機(jī)；文獻(xiàn)[12]則采用雙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，較文獻(xiàn)[6]中的天線(xiàn)體積減小了66%，但是天線(xiàn)的覆蓋頻段也隨之減少，未能覆蓋 LTE700/2300/2500三個(gè)工作頻段；文中天線(xiàn)體積較文獻(xiàn)[6]減小了74%，可以覆蓋八個(gè)工作頻段，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制作.

3結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款新型的實(shí)用小尺寸頻率可重構(gòu)手機(jī)天線(xiàn)，該設(shè)計(jì)通過(guò)將RF-Switch應(yīng)用于天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中，使天線(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LTE/WWAN頻段的全覆蓋.利用RF-Switch開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)天線(xiàn)的感抗值，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻段的頻率可重構(gòu)，對(duì)高頻段基本沒(méi)有影響，能夠明顯地?cái)U(kuò)展天線(xiàn)的帶寬.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:可重構(gòu)天線(xiàn)能夠覆蓋LTE700/GSM850/900、DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500八個(gè)工作頻段，且回波損耗小于-6 dB，天線(xiàn)具有很好的輻射效率和增益，能夠?qū)崿F(xiàn)全向覆蓋.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，表明該天線(xiàn)能夠很好地實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)特性.該天線(xiàn)制作尺寸小、重構(gòu)方式簡(jiǎn)單、各頻帶間相對(duì)獨(dú)立、性能優(yōu)良且具有很高的實(shí)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)

[1] SCHAUBERT D, FARRAR F, HAYES S, et al. Frequency-agile, polarization diverse microstrip antennas and frequency scanned arrays: US, 4367474[P]. 1983-01-04.

[2]肖紹球, 王秉中. 微帶可重構(gòu)天線(xiàn)初步探討[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 17(4): 386-390.

XIAO Shaoqiu, WANG Bingzhong. Proliminary research on microstrip reconfigurable antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2002, 17(4): 386-390.(in Chinese)

[3] 王安國(guó), 張家杰, 王鵬, 等. 可重構(gòu)天線(xiàn)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 2(5): 997-1002.

WANG Angou, ZHANG Jiajie, WANG Peng, et al. Recent research and developing trends of reconfigurable antennas[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 2(5): 997-1002.(in Chinese)

[4] 田雨波, 譚冠南. 頻率可重構(gòu)超寬帶天線(xiàn)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 27(2): 222-226.

TIAN Yubo,TAN Guannan. Frequency reconfigurable UWB antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(2): 222-226.(in Chinese)

[5] ZHAO G H, WANG A G, LENG W, et al. Wideband internal antenna with coupled feeding for 4G mobile phone[J]. Microwave and Optical technology letters, 2013, 55(3): 513-516.

[6] CHU F H, WONG K L. Internal coupled-fed dual-loop antenna integrated with a USB connector for WWAN/LTE mobile handset[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, 59(11): 4215-4221.

[7] SARANG P H, SHEVGAONKAR R K, CHANDORKAR A N. Optically controlled frequency-reconfigurable microstrip antenna with low photoconductivity[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, 13: 99-102.

[8] GE L, LUK K M. A band-reconfigurable antenna based on directed dipole[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(1): 64-71.

[9] 王安國(guó), 陳彬, 冷文, 等.一種小型化五頻段可重構(gòu)蝶形天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 28(1): 87-91.

WANG Angou, CHEN Bin, LENG Wen, et al. Design of a compact bowtie antenna with five-band reconfigurable characteristics[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2013, 28(1): 87-91. (in Chinese)

[10]CHANG D C, LI H C. Novel reconfigurable loop antenna for compact mobile phone[C]//Proceedings of International Symposium on Antennas and Propagation, 2012: 818-821.

[11]LI Y, ZHANG Z J, ZHENG J F, et al. Compact hepta-band reconfigurable loop antenna for mobile handset[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 10: 1162-1165.

[12]LI Y, ZHANG Z J, FENG Z H, et al. A compact hepta-band loop-inverted F reconfigurable antenna for mobile phone[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 60(1): 389-392.

[13]PRASADH R, PETTERT A, ROBERTO G, et al. Reconfigurable small antenna for mobile phone using MEMS tunable capacitor[C]//IEEE Loughborough Antennas & Propagation Conference, Loughborough, 2013: 354-357.

[14]王安國(guó), 趙國(guó)煌, 冷文, 等. 八頻段手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 28(2): 255-260.

WANG Angou, ZHAO Guohuang, LENG Wen, et al. Design of an internal eight-band antenna for mobile phones[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2013, 28(2): 255-260.(in Chinese)

[15]YANG S N, ZHANG C N, PAN H K, et al. Frequency reconfigurable antennas for multiradio wireless platforms[J]. IEEE Microwave Magazine, 2009: 66-83.

孫玉發(fā)(1966-),男,安徽人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡姶派⑸渑c目標(biāo)識(shí)別、計(jì)算電磁學(xué)、天線(xiàn)理論與技術(shù)等.

胡少啟(1990-),男,安徽人,碩士研究生,研究方向?yàn)榭芍貥?gòu)天線(xiàn)設(shè)計(jì)、移動(dòng)通信天線(xiàn)設(shè)計(jì).

周東(1990-),男,安徽人,碩士研究生,研究方向?yàn)閷?dǎo)航天線(xiàn)設(shè)計(jì)、筆記本電腦天線(xiàn)設(shè)計(jì).

王仲根(1981-),男,江蘇人,講師，博士,研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、陣列信號(hào)處理.

王峰. 高頻無(wú)源雙基地雷達(dá)參考信號(hào)的盲均衡恢復(fù)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(6):1182-1188. doi: 10.13443/j.cjors. 2014121703

WANG Feng. Reference signal recovery exploiting blind equalization for high frequency passive bistatic radar [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(6):1182-1188. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014121703

陳曦, 楊龍, 傅光, 等. 移相器量化誤差對(duì)相控陣天線(xiàn)相位中心的影響分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(6):1175-1181. doi: 10.13443/j.cjors. 2015013102

CHEN Xi, YANG Long, FU Guang, et al. Effect analysis of phase quantization error of phase shifter on phase center of phased array antenna [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(6):1175-1181. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2015013102

Design of a compact mobile phone antenna with octa-band

reconfigurable characteristics

SUN Yufa1HU Shaoqi1ZHOU Dong1WANG Zhonggen2YANG Ming1

(1.KeyLabofIntelligentComputing&SignalProcessing,MinistryofEducation,Anhui

University,Hefei230039,China; 2.CollegeofElectricalandInformationEngineering,

AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

AbstractA novel frequency reconfigurable mobile phone antenna of 43mm×9mm×3mm in size is proposed. The proposed antenna consists of meander feeding strip, coupling strip and multichannel RF-Switch. To achieve the resonant modes of lower band among four different working states, the RF-Switch is used to change the inductance value and the effective electrical length of the feed line. The lower band bandwidth of the antenna is expanded obviously. The research results show that long term evolution(LTE) and wireless wide area network(WWAN) can be covered by the proposed antenna with the return loss better than 6dB. The proposed antenna was fabricated and measured, good performances of the radiation efficiency, antenna gain and radiation patterns are obtained. It has the good prospects for the applications.

Key wordsRF-Switch; multi-band; frequency reconfigurable; compact mobile phone antenna

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2014-12-01

中圖分類(lèi)號(hào)TN822

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2015)06-1170-06