應(yīng)用于帶有閉合金屬邊框手機(jī)的縫隙天線

操瑞鑫,葉 明,倪 楊

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072)

應(yīng)用于帶有閉合金屬邊框手機(jī)的縫隙天線

操瑞鑫,葉 明,倪 楊

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,上海 200072)

提出了無(wú)斷開 (閉合)金屬邊框情況下平面手機(jī)天線的模型,解決了在閉合金屬情況下導(dǎo)致的傳統(tǒng)平面天線帶寬變窄的問(wèn)題。通過(guò)天線折疊技術(shù),將其面積縮小至手機(jī)應(yīng)用的尺寸內(nèi)。然后,進(jìn)一步的阻抗匹配使在smith圓圖上將天線的阻抗帶寬調(diào)到了最大,使天線能夠覆蓋GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS 5個(gè)頻段。采用開槽天線將金屬邊框作為天線的一部分能解決金屬框?qū)μ炀€的影響。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,低頻部分帶寬為142 MHz,高頻部分帶寬有480 MHz,滿足了常用頻段的需要。同時(shí),為了避免發(fā)生手握的影響,金屬框和地的接地點(diǎn)置于電路基板頂段,從而降低了手握的影響。

手機(jī)天線;金屬邊框;縫隙天線

1 引 言

近年來(lái),為了保證手機(jī)的強(qiáng)度、質(zhì)感和美觀,一些手機(jī)廠商在設(shè)計(jì)手機(jī)邊緣時(shí)增加一層金屬邊框,而為了減小導(dǎo)體邊框?qū)κ謾C(jī)天線性能的影響,一般采用有一定高度的平面倒F天線(Planar Inverted-F Antenna,PIFA)[1-2]來(lái)減小導(dǎo)體邊框?qū)μ炀€的影響。但隨著手機(jī)外形越來(lái)越輕薄,而PIFA天線需要一定的高度才能保證有一定的帶寬,所以目前對(duì)PIFA天線的設(shè)計(jì)提出了新的要求。而對(duì)于單極天線或者IFA天線,金屬框的影響也會(huì)非常嚴(yán)重,減小其阻抗帶寬,所以需要有新的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。將手機(jī)金屬殼體接地[3]或改變金屬殼體尺寸[4]可以改善對(duì)天線的影響;有些采用開關(guān)切換來(lái)進(jìn)行可重構(gòu)[5-6],從而使天線帶寬滿足實(shí)際的需求;也有很多通過(guò)二極管[7-8]來(lái)切換,使天線工作時(shí)滿足需要的帶寬。iphone4采用斷開金屬框,并用金屬框作為天線的一部分,但沒(méi)有更好地解決手機(jī)強(qiáng)度問(wèn)題。在本文中,采用了平面縫隙結(jié)構(gòu)的天線,利用手機(jī)的金屬邊框作為手機(jī)天線的一部分,激勵(lì)起主板和金屬邊框之間的縫隙來(lái)提高天線的抗金屬性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種天線結(jié)構(gòu)滿足了GSM850(Global System for Mobile Communication,824～ 894 MHz)、GSM900(880～ 960 MHz)、DCS1800(Digital Communication System,1 710～ 1 880 MHz)、PCS1900(Personal Communication System,1 850～ 1 990MHz)、UMTS(Universal Mobile Telecommunication System,1 920～2 170 MHz)等5個(gè)頻段。文獻(xiàn)[9-10]說(shuō)明了主板上電流的大小及分布決定了手握對(duì)天線的影響,電流越大,手握影響越大,反之,電流越小,手握的影響越小。把此天線縫隙盡量開到手機(jī)的頂部,下半部分可以充分接地,從而使主板上的電流減到最小,降低手握對(duì)天線性能的影響。

2 天線的設(shè)計(jì)與仿真

圖1所示的復(fù)合型縫隙天線包含兩條長(zhǎng)短不同的縫隙,印制在電路基板上,在電路基板的背面采用50 Ψ的微帶線饋電。電路基板長(zhǎng)度為126 mm,寬度為66 mm,厚度為1 mm。電路基板采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4材料,其電導(dǎo)率σ在頻率為900 MHz時(shí)是0.005 5 s/m,在頻率為2 000 MHz時(shí)是0.010 7 s/m。本復(fù)合型縫隙天線采用折疊狀結(jié)構(gòu)能很大程度減少天線在電路基板上所占用的面積[11-12],而且利用金屬裝飾邊框與電路基板之間應(yīng)有的縫隙作為天線的一部分,更加減小了天線占用空間。第一天線也就是比較長(zhǎng)的縫隙,呈“勺子”型,其長(zhǎng)度為115 mm,產(chǎn)生一個(gè)在頻率為900 MHz時(shí)的約1/2波長(zhǎng)基本諧振模式和頻率為2 000 MHz時(shí)的約1波長(zhǎng)第二個(gè)諧振模式。第二天線呈倒C型,也就是短縫隙,其長(zhǎng)度為70 mm,產(chǎn)生另外一個(gè)在1 800 MHz的約1波長(zhǎng)諧振模式。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1中所示的A區(qū)域是留給手機(jī)的揚(yáng)聲器位置,因此天線在電路基板上實(shí)際占用面積僅38 mm×13 mm。

圖1 縫隙天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of slot antenna

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu),第一天線和第二天線采用折疊結(jié)構(gòu)減小了天線在電路基板上的面積,第二天線折疊在第一天線內(nèi)部,沒(méi)有增加天線所占用的區(qū)域,但是產(chǎn)生了一個(gè)高頻諧振,改善了天線的高頻帶寬,而且減少電路基板下半部分電流分布,從而降低手握時(shí)對(duì)天線射頻信號(hào)輻射的影響。

介質(zhì)基板背面采用阻抗為50 Ψ的微帶線饋電,微帶饋線垂直于縫隙,位置在中間偏右。這樣的饋電形式激勵(lì)起印刷縫隙天線的兩種諧振模式(1/2波長(zhǎng)和1波長(zhǎng)模式)[12]。通過(guò)調(diào)整微帶饋線的寬度、長(zhǎng)度和位置使在這兩種諧振模式時(shí)有比較好的阻抗匹配。

在上述理論分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化之后天線的詳細(xì)尺寸為:a=6 mm,b=24 mm,c=13 mm,d=10 mm,e=13 mm,f=30 mm,g=40 mm,h=17 mm,i=16 mm,j=6 mm,k=15 mm。

圖1所示的金屬邊框1為縫隙天線的組成部分,我們可以把它模擬成為手機(jī)中的閉合金屬邊框,厚度為2 mm,然后按照?qǐng)D1中特定的幾個(gè)位置(2、3、4、5)用微帶線把電路基板和金屬邊框相連,使金屬邊框與電路基板之間形成特定長(zhǎng)度的縫隙,把金屬邊框成為天線的一部分。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS13軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化,得到上述的天線尺寸參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù),對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)際加工,天線實(shí)物圖如圖2所示。在微波暗室對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量,效率范圍為40%～70%。用Agilent8722ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,測(cè)得結(jié)果與實(shí)際仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,但仍然有少量偏差,分析原因可能是由于實(shí)際加工精度和材料性能對(duì)天線與饋電網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有完全達(dá)到阻抗匹配所致。天線阻抗帶寬的實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該復(fù)合型天線工作頻率范圍低頻部分為818～960 MHz,絕對(duì)帶寬為142 MHz,相對(duì)帶寬為16%;高頻部分工作頻率范圍為1 700～2 180MHz,絕對(duì)帶寬為480 MHz,相對(duì)帶寬為24.7%,滿足手機(jī)通信的5個(gè)頻段。

圖2 天線實(shí)物圖Fig.2 Photo of the slot antenna

圖3 天線回波損耗仿真和實(shí)測(cè)圖Fig.3 Comparison of simulated and measured return loss

復(fù)合型折疊縫隙天線的不同縫隙長(zhǎng)度對(duì)天線阻抗匹配有很大的影響。圖4分別給出了天線a、h、i 3段不同的長(zhǎng)度對(duì)天線回波損耗的影響:(a)顯示了a的長(zhǎng)度對(duì)低頻頻帶和高頻頻帶影響都很大,隨著a增大,低頻帶向高偏移,在a=18.5 mm時(shí)有比較好的阻抗匹配,使高、低頻段阻抗帶寬覆蓋到手機(jī)正常通信的GSM850/GSM900/DCS/PCS/UMTS 5個(gè)頻段;(b)表明h的長(zhǎng)度主要影響低頻頻段,隨著h的增加,第一天線的總長(zhǎng)度增加,當(dāng)縫隙長(zhǎng)度增加時(shí),諧振點(diǎn)向低頻段移,因此優(yōu)化后h的值設(shè)計(jì)為14.2 mm;(c)表明高頻部分的第一個(gè)諧振點(diǎn)僅受i的影響,所以此諧振頻率是由第二天線產(chǎn)生的。為了使高頻頻段覆蓋的頻率大于1 710MHz,i設(shè)定為6mm。

圖4 天線回波損耗隨不同參數(shù)的變化Fig.4 Comparison of return loss in different cases

在得到比較好阻抗特性前提下,對(duì)天線的輻射方向圖進(jìn)行了仿真,圖5(a)、(b)、(c)分別給出了天線在0.9 GHz、1.8 GHz、1.9 GHz時(shí) E 面和 H 面的歸一化輻射方向圖。

圖5 天線方向圖Fig.5 Radiation patterns of the antenna

圖6(a)、(b)分別給出了天線在824～960MHz和1 710～2 170MHz頻率范圍內(nèi)的最大增益仿真結(jié)果。

圖6 天線的增益仿真結(jié)果Fig.6 Peak gain of the antenna

4 結(jié) 論

本文提出了一種能應(yīng)用于帶有閉合金屬邊框手機(jī)的縫隙天線,采用了在電路基板上加載兩條復(fù)合型不同長(zhǎng)度的縫隙設(shè)計(jì),而且該天線充分利用手機(jī)金屬邊框和系統(tǒng)電路基板之間存在的縫隙,使手機(jī)金屬邊框成為天線的一部分,從而解決金屬邊框影響天線性能的問(wèn)題,并且分析了天線參數(shù)變化點(diǎn)天線頻率響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該多頻天線工作頻段覆蓋 GSM850、GSM900、DCS、PCS 、UMTS 5 個(gè)頻段,天線的阻抗帶寬和增益均滿足現(xiàn)代個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。如何在滿足5個(gè)頻段帶寬和增益要求下縮小天線尺寸是以后的研究方向之一。

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CAO Rui-xin was born in Anqing,Anhui Province,in 1986.He is now a graduate student.His research interests include microwave RF circuit and antenna.

Email:crxsam@163.com

葉 明(1957—),男,浙江人,高級(jí)工程師、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槲⒉ㄅc射頻電路、微帶天線;

YE Ming was born in Zhejiang Province,in 1957.He is now a senior engineer and also the instructor of graduate students.His research interestsinclude microwave RF circuit and microstrip antenna.

Email:yeming@staff.shu.edu.cn

倪 楊(1989—),男,江蘇金壇人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l電路和天線。

NI Yang was born in Jintan,Jiangsu Province,in 1989.He is now a graduate student.His research interests include microwave RF circuit and antenna.

A Printed Slot Antenna for Mobile Phone with Unbroken Metal Frame

CAO Rui-xin,YE Ming,NI Yang
(College of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The model to solve unbroken(closed)metal framed planar handset antenna is proposed.This model adopts the slot antenna to solve the narrow bandwidth caused by unbroken metal frame by the traditional planar antenna.By further folding,the area of the slot antenna is reduced to be suitable for handset.Through impedance matching,the smith chart is properly adjusted to gain the widest bandwidth for the band of GSM850,GSM900,DCS,PCS,UMTS.This structure uses the metal frame as a part of the antenna in order to solve the effect caused by traditional antenna and the metal frame.Test result showsthat the bandwidth is 142 MHz at the low-band and the bandwidth is 480 MHz at the high-band,which satisfies the common band for antenna.In order to avoid the hand effect,the grounding point for the metal frame is set away from the ground.

mobile phone antenna;metal frame;slot antenna

TN82

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.025

1001-893X(2012)06-0956-04

2011-11-23;

2012-02-22

操瑞鑫(1986—),男,安徽安慶人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l電路和天線;