孫建忠 裘國(guó)華

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著新一代移動(dòng)通信的快速發(fā)展，以及LTE標(biāo)準(zhǔn)的興起，移動(dòng)通信系統(tǒng)正向著4G時(shí)代穩(wěn)步邁進(jìn)。TD-LTE是我國(guó)自主創(chuàng)新的4G技術(shù)，與歐洲主導(dǎo)的FDD-LTE技術(shù)一起被國(guó)際電信聯(lián)盟確立為兩大國(guó)際4G標(biāo)準(zhǔn).我國(guó)已將2500-2690MHz共190MHz的頻譜資源全部劃分給TD-LTE， 英國(guó)等部分運(yùn)營(yíng)商使用2.6GHz和3.5/3.6 GHz頻段布署LTE網(wǎng)絡(luò)，美國(guó)、加拿大、澳大利亞、智利等國(guó)家已批準(zhǔn)700MHz頻段用于LTE，我國(guó)也已將700MHz和3.5GHz頻段列入未來(lái)規(guī)劃。如此多的頻段，使得傳統(tǒng)的手機(jī)天線(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足4G無(wú)線(xiàn)通信需求.如今，多頻、寬頻帶和低剖面已經(jīng)成為4G手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。 近期，學(xué)者們已經(jīng)提出了各種寬帶手機(jī)天線(xiàn)，例如PIFA天線(xiàn)[1-2]，印刷環(huán)形天線(xiàn)[3]，印刷單極子天線(xiàn)[4-7]，縫隙天線(xiàn)[8]，可重構(gòu)天線(xiàn)[9-10]。

本文提出一種適用于4G手機(jī)的平面天線(xiàn)。 該天線(xiàn)采用接地板共面結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)約空間，易于實(shí)現(xiàn)手機(jī)的小型化，通過(guò)多枝節(jié)連接地板結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)展帶寬，從而實(shí)現(xiàn)寬頻特性，利用接地枝節(jié)耦合，形成分布式電感，調(diào)節(jié)阻抗匹配，改善低頻和高頻段的性能.通過(guò)對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，獲得天線(xiàn)最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并完成加工與測(cè)試。 研究表明， 該天線(xiàn)可以產(chǎn)生 0.75GHz、2.6GHz 和 3.5GHz 三個(gè)諧振頻率點(diǎn)，工作頻段為 0.69GHz～0.82GHz 和 2.49GHz～4.06GHz， 很好地覆蓋了4G無(wú)線(xiàn)通信的主要頻段，可以滿(mǎn)足4G手機(jī)的工作需求。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的接地板共面結(jié)構(gòu)的4G手機(jī)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)材料作基體，大小為120mm×60mm，厚度為1.6mm，A點(diǎn)為饋電點(diǎn)，B點(diǎn)為短路點(diǎn)。 與饋電點(diǎn)相連的是一個(gè)由矩形減去一個(gè)小矩形而成的輻射振子，與短路點(diǎn)相連的是一段迂回枝節(jié)，迂回枝節(jié)的右側(cè)由三段枝節(jié)與接地板相連.接地板的左上角設(shè)有接地迂回枝節(jié)，形成分布電感，用于調(diào)節(jié)阻抗匹配。

1.2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2為天線(xiàn)分別在左側(cè)無(wú)接地枝節(jié)（形狀1）、只有一段接地枝節(jié)（形狀2）和帶有接地迂回枝節(jié)（形狀3）時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖，由圖可知，當(dāng)天線(xiàn)沒(méi)有接地枝節(jié)時(shí)，低頻段的諧振頻率點(diǎn)約為1.13GHz，中頻段有多個(gè)諧振點(diǎn)，6dB 阻抗帶寬為 2.49GHz～3.38GHz.當(dāng)天線(xiàn)只有一段接地枝節(jié)時(shí)，低頻段的諧振點(diǎn)為0.77GHz，該諧振點(diǎn)處的回波損耗為-10.4dB，中頻段的諧振點(diǎn)為 2.61GHz，高頻段的諧振點(diǎn)為 3.62GHz，6dB阻抗帶寬為 2.51GHz～4.07GHz。 當(dāng)天線(xiàn)帶有接地迂回枝節(jié)時(shí)，低頻段的諧振點(diǎn)為0.75GHz，該諧振點(diǎn)處的回波損耗為-14.2dB，中頻段的諧振點(diǎn)為2.60GHz，高頻段的諧振點(diǎn)為 3.49GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋2.49GHz～4.06GHz.接地迂回枝節(jié)的長(zhǎng)度 L2對(duì)天線(xiàn)性能的影響如圖 3所示。 由圖可知， 當(dāng) L2的長(zhǎng)度依次為 12.5mm、13.5mm、14.5mm 時(shí)，高頻段的諧振點(diǎn)依次為 3.52GHz、3.49GHz、3.41GHz，而低頻段和中頻段的變化不明顯。 對(duì)比可知，接地迂回枝節(jié)能夠很好地調(diào)節(jié)阻抗匹配，改善低頻和高頻段的性能，使天線(xiàn)滿(mǎn)足4G無(wú)線(xiàn)通信需求。

右側(cè)接地枝節(jié)對(duì)天線(xiàn)性能的影響如圖4所示。 圖4（a）可見(jiàn)，當(dāng)天線(xiàn)右側(cè)沒(méi)有接地枝節(jié)或只有上端接地枝節(jié)時(shí)（形狀4和形狀5），6dB阻抗帶寬都比較窄，低頻段和中頻段的諧振點(diǎn)都不處于4G無(wú)線(xiàn)通信頻段。當(dāng)天線(xiàn)右側(cè)只有中間接地枝節(jié)時(shí)（形狀6），低頻段諧振點(diǎn)為0.72GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋0.67GHz～0.78GHz，中頻段和高頻段的諧振點(diǎn)分別為 2.59GHz 和 3.37GHz，6dB 阻抗帶寬能夠覆 2.49GHz～3.94GHz.當(dāng)天線(xiàn)右側(cè)只有下端接地枝節(jié)時(shí)（形狀7），低頻段諧振點(diǎn)為0.73GHz，6dB阻抗帶寬能夠覆蓋0.68GHz～0.82GHz，中頻段和高頻段的諧振點(diǎn)分別為 2.75GHz 和 3.58GHz，6dB 阻抗帶寬 能 夠 覆蓋 2.47GHz～3.97GHz.圖4（b）表明當(dāng)天線(xiàn)右側(cè)有兩段接地枝節(jié)時(shí)（形狀8、形狀9、形狀10），低頻段諧振點(diǎn)均在0.75GHz附近，6dB阻抗帶寬均為100MHz左右，中頻段諧振點(diǎn)均在2.6GHz附近，高頻段諧振點(diǎn)均在3.4GHz附近，6dB阻抗帶寬均能基本覆蓋4G無(wú)線(xiàn)通信主要頻段.研究結(jié)果表明天線(xiàn)右側(cè)的接地枝節(jié)可以較好地改善阻抗匹配，擴(kuò)展帶寬，使天線(xiàn)滿(mǎn)足4G無(wú)線(xiàn)通信需求.天線(xiàn)經(jīng)優(yōu)化后，最終確定的尺寸參數(shù)為：L=99mm,L1=5.5mm,L2=13.5mm,L3=15mm,L4=11mm,L5=38mm,L6=17mm,L7=12mm,L8=6mm,L9=13mm,L10=9mm,L11=11mm,L12=46mm,L13=5mm,W=60mm,W1=3mm,W2=11mm,W3=5mm,W4=6mm。

2 天線(xiàn)制作與測(cè)試結(jié)果分析

本文加工制作的接地板共面結(jié)構(gòu)的4G手機(jī)天線(xiàn)如圖5所示。利用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀R3765CH對(duì)所加工天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如圖6所示.仿真軟件得到天線(xiàn)在低頻段諧振于0.75GHz，工作頻段為0.69GHz～0.82GHz，中頻段和高頻段分別諧振于 2.60GHz 和 3.49GHz，工作頻段為 2.49GHz～4.06GHz。 實(shí)際測(cè)試結(jié)果為：天線(xiàn)在低頻段諧振于 0.778GHz，工作頻段為 0.724GHz～0.844GHz，中頻段和高頻段分別諧振于 2.528GHz 和 3.501GHz， 工作頻段為 2.328GHz～3.620GHz 頻段。 測(cè)試與仿真結(jié)果存在細(xì)微差異，主要是由于SMA接頭存在損耗，和實(shí)際測(cè)試環(huán)境中存在一定的電磁干擾所致。

圖7 所示為 0.75GHz、2.6GHz、3.5GHz 處的天線(xiàn)測(cè)試的 E 面和 H面場(chǎng)圖。 由圖可知，天線(xiàn)的增益分別為 2.7dBi、4.9dBi和 5.3dBi，同時(shí)也表明天線(xiàn)具有較好的全向性。

本文提出一種適用于4G無(wú)線(xiàn)通信的共面結(jié)構(gòu)的平面天線(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真與加工測(cè)試。研究結(jié)果表明該天線(xiàn)的第一個(gè)中心頻率為 0.75GHz，頻帶寬度為 130MHz（0.69GHz～0.82GHz），天線(xiàn)增益為 2.7dBi； 第二個(gè)和第三個(gè)中心頻率分別為 2.6GHz和 3.5GHz，頻帶寬度為 1570 MHz （2.49GHz～4.06GHz）， 天線(xiàn)增益分別為 4.9dBi和5.3dBi。該天線(xiàn)能很好地滿(mǎn)足4G無(wú)線(xiàn)通信頻段標(biāo)準(zhǔn)，在4G無(wú)線(xiàn)通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。S

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