鐘小清,姚 斌,鄭勤紅(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南昆明650500)

一款多頻段小型單極子天線的設(shè)計(jì)*

鐘小清1,姚 斌2,鄭勤紅2
(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南昆明650500)

設(shè)計(jì)了一款多頻段小型寬帶單極子天線。采用Ansoft公司的HFSS13電磁仿真軟件,對天線進(jìn)行了仿真及優(yōu)化,天線尺寸為39mm×29mm×1.7mm,該天線在多個(gè)頻率點(diǎn)上諧振。仿真結(jié)果表明,該天線參數(shù)S11≦-10 dB,天線和饋線匹配的很好,覆蓋了LTE2300,LTE2500和WLAN的2.4/ 5.2/5.8 GHZ及WiMAX的2.5/5.5 GHz的工作頻段,適于目前的超薄智能手機(jī)。

多頻 小型 LTE 單極子天線

0 引 言

手持無線終端設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬匾饔?隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展[1],手機(jī)的日益普及,用戶的需求越來越苛刻。小型化、個(gè)性化、超薄、多頻、多功能等設(shè)計(jì)需求旺盛。作為收發(fā)前端的天線系統(tǒng)也正在朝著小型化、多頻段方向發(fā)展[2],所以在小天線的設(shè)計(jì)中,體積小、重量輕,能與載體共形,易于與有源器件和電路集成,便于實(shí)現(xiàn)多頻工作的微帶天線得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

平面單極子天線具有全向輻射和非色散特性,除此之外還具有低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)勢。因此國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對此類天線進(jìn)行了大量的研究。到目前為止,人們研究并發(fā)明了多種多頻寬帶天線,楊林等人提出了一種帶巴倫饋電的寬帶印刷偶極子天線,它可以覆蓋WLAN工作的每個(gè)頻段[3];Zhang Q Y等提出了一種帶有集成巴倫的貼片天線,覆蓋了WLAN系統(tǒng)中的三個(gè)頻段[4];徐娜等人提出了平面倒F型貼片天線,輻射片尾端折疊,在上層輻射片上開2個(gè)U型槽的方法實(shí)現(xiàn)三頻[5];Sapna Verma等人研究了多頻縫隙天線,通過縫隙天線與微帶饋線的不同組合來實(shí)現(xiàn)多頻特性[6],Xu Jing等人提出了一種低剖面并可多頻工作的平面單極子天線[7],李升輝等人研究了雙頻倒F天線的設(shè)計(jì)[8]。然而這些天線要么尺寸太大,不便于集成和共形;要么同軸線饋電制作不容易調(diào)整位置;要么有巴倫或加入電感元件,不方便制作;要么用高造價(jià)介質(zhì),成本不低;還有的能覆蓋的頻率段太少。

本文設(shè)計(jì)了一種小型化的多頻段單極子天線,采用微帶線饋電,天線厚度僅為1.7 mm,占用手機(jī)PCB板的凈空區(qū)僅為40 mm×29 mm,通過電磁耦合技術(shù)和附加諧振的方法,天線的覆蓋頻率得到了顯著的展寬,該天線所形成的兩個(gè)寬頻帶有效地覆蓋ISM/WLAN(5.2/5.8)/WiMAX(2.5/5.5GHZ)/ LTE2300/2500等工作頻段,完全可以滿足目前對于追求超薄智能手機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

1 多頻天線理論與仿真優(yōu)化

1.1 多頻寬帶天線理論

平面單極天線是微帶天線的一種,移動(dòng)通信終端中常用的一種天線形式,具有良好的阻抗特性和輻射特性。平面單極天線的設(shè)計(jì)原理都是根據(jù)微帶理論得來的,微帶天線的多頻帶技術(shù)完全適用于平面單極子天線,經(jīng)過查閱文獻(xiàn)資料,總結(jié)出可用四種方法來實(shí)現(xiàn)多頻帶天線。

采用單一輻射片,利用加載,開槽等方法來改變貼片本來的電流長度分布情況,實(shí)現(xiàn)幾種不同的波模式(如矩形輻射片的TM10,TM01模)。

采用多分支技術(shù),利用多分支的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多條電流路徑,電流路徑不同就會產(chǎn)生不同的諧振頻率。本文就是采用多分支結(jié)構(gòu),各支路都工作在不同的頻段上,形成多諧振,共用一個(gè)饋電點(diǎn),每個(gè)支路都可以單獨(dú)調(diào)整。

采用分型的概念設(shè)計(jì)天線,分型具有空間填充屬性和自相似性,既實(shí)現(xiàn)天線的小型化,也可得到多頻特性。

多層重疊輻射結(jié)構(gòu),構(gòu)成多個(gè)諧振器或者多貼片共面結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)多頻特性。在單貼片的基礎(chǔ)上附加短路貼片,形成短路寄生單元,實(shí)現(xiàn)多頻。

影響內(nèi)置平面單極子天線帶寬的因素有很多。增大介質(zhì)基片厚度,降低介質(zhì)相對介電常數(shù)和等效電路Q值,附加寄生貼片,修改饋電方法都可以實(shí)現(xiàn)寬頻特性。

1.2 天線結(jié)構(gòu)及仿真優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)的多頻單極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)天線系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成。分別是天線單元,微帶線饋電和參考地,全部都印制在大小為40 mm× 40 mm×1.7 mm相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板上,地板尺寸為40 mm×11 mm。通過用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行優(yōu)化,得到的最優(yōu)參數(shù)如表1所示。

圖1 饋線和天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of feed line and antenna

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Geometric parameters of the antenna

根據(jù)微帶天線理論,單極子天線的諧振長度大約是其工作波長的1/4左右。因此,要使微帶單極子天線工作于WLAN的2.4 GHz和5.2、5.8 GHz頻段,2.4 G的諧振電流長度應(yīng)約為32 mm,5.49 G的約為13.8 mm。輻射單元主要由四個(gè)輻射枝節(jié)所構(gòu)成。

天線由長度為L2,R2,D3,E1四個(gè)枝節(jié)組成,用微帶線饋電,饋線寬度S=3.5 mm,長為L=14 mm,諧振枝節(jié)的寬度均為W=2 mm,通過對4個(gè)枝節(jié)的調(diào)節(jié)可獲得WLAN和LTE等所覆蓋的頻率段。通過仿真可知L2主要影響5.8 G頻段,R2影響2.45 G頻段,D3對所有諧振點(diǎn)都有影響,通過調(diào)節(jié)D3的參數(shù)可以達(dá)到微調(diào)的目的。

2 仿真結(jié)果與分析

由高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真,得到的回波損耗如圖2所示,從圖中的曲線可以看出,天線在多個(gè)頻點(diǎn)出現(xiàn)諧振, S11小于等于-10 dB的阻抗帶寬在2.45 G的頻段為700 M(2 200 M～2 900 M),覆蓋了LTE2300, LTE2500,BT/WiFi,WiMAX2.5GHz,4.4G的頻段是150 M(4 350 M～4 500 M),在高頻段5.8G有較大的阻抗帶寬是2 450 M(5 150 M～7 600 M),能同時(shí)滿足WLAN(5.2/5.8GHz),WiMAX5.5G等頻段,展示了很好的寬頻特性。本文天線在多個(gè)頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振,天線饋線的阻抗為50歐,圖2中的S11參數(shù)均小于等于-10 dB,說明該天線阻抗與微帶饋線匹配得很好,完全滿足無線通訊要求。

圖2 天線的回波損耗S11Fig.2 Simulated return loss of the antenna

圖3 R2取不同值對天線回波損耗的影響Fig.3 Effects of R2 in different values on the proposed antenna's return loss

圖4 L2取不同值對天線回波損耗的影響Fig.4 Effects of L2 in different values on the proposed antenna's return loss

圖5 D3取不同值對天線回波損耗的影響Fig.5 Effects of D3 in different values on the proposed antenna's return loss

圖3 至圖5分別反映的是各參數(shù)的變化對天線回波損耗的影響,對比分析可看出,在其他天線參數(shù)確定后,隨天線枝節(jié)X軸方向長度即L2的增加, 2.49 GHz處諧振點(diǎn)向左上方移動(dòng),對其他諧振點(diǎn)則影響不大;當(dāng)其他參數(shù)確定而改變R2的長度時(shí),隨著R2的增大,4.5 GHz處的諧振點(diǎn)迅速降低,影響最大的是高頻段即5.8 GHz處的諧振點(diǎn),出現(xiàn)了向左移的趨勢,并且當(dāng)L2等于5 mm時(shí),諧振點(diǎn)降得很低,達(dá)到了-38 dB,從而出現(xiàn)很寬的頻帶;諧振枝節(jié)D3對各個(gè)諧振點(diǎn)都有輕微的影響,D3增大時(shí), 2.45 GHz和4.5 GHz的諧振點(diǎn)均向左上方移動(dòng),大于9 mm時(shí)則主要向上移動(dòng),高頻諧振點(diǎn)5.8 GHz則是隨著D3得增大而向下移動(dòng),因?yàn)镈3枝節(jié)與L2枝節(jié)末端相對,離得太近會發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象,會枝節(jié)影響高頻段,通過對D3的調(diào)節(jié)可以達(dá)到微調(diào)的目的。

以上分析表明,通過多分支結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)天線的多頻特性。適當(dāng)長度的枝節(jié)可控制不同的頻段,影響其S11參數(shù)。當(dāng)諧振長度約為工作波長的1/4時(shí)會發(fā)生諧振,隨著枝節(jié)長度的增加,諧振點(diǎn)都會向低頻方向移動(dòng),而枝節(jié)變短,諧振頻率則升高。

增益方向圖和三維增益圖都表明,本文所設(shè)計(jì)的單極子天線在高頻段5.8 GHz的E面天線全向性比較弱,H面方向圖則表現(xiàn)出更好的全向性,在低頻段E面和H面的各個(gè)頻點(diǎn)全向性都是相當(dāng)好,能滿足無線通信的需要。天線單元在低頻2.45 GHz和高頻5.8 GHz兩個(gè)波段內(nèi)的增益都在2～3 dBi,能滿足目前常用的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11a、802.11b和802.11g的相關(guān)要求,同時(shí)也能達(dá)到通信應(yīng)用的功率需求。

圖6 天線的三維增益Fig.6 3D radiation pattern of the antenna

圖7 XOZ和YOZ截面上的增益方向Fig.7 Measured radiation patterns of the proposed antenna

3 結(jié) 論

本文分析了多頻天線的實(shí)現(xiàn)方法,并就其中采用多分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻進(jìn)行了天線的仿真和分析,天線單元采用微帶線饋電,尺寸小,結(jié)構(gòu)簡單,非常易于集成,為小型化寬頻帶天線的研究提供了很好的基礎(chǔ)。仿真結(jié)果表明,天線的阻抗和輻射特性在WLAN應(yīng)用的三個(gè)頻段(2.4 GHz,5.2 GHz, 5.8 GHz)和WiMAX(2.5和5.5 GHz)還有LTE2300和LTE2500都達(dá)到工作要求。S11小于等于-10 dB的阻抗帶寬在2.45G頻段有700 M(2 200 M～2 900 M),4.4G頻段有150 M(4 350 M～4 500 M),在高頻段有2 450 M(5 150 M～7 600 M),能夠完全滿足無線電通訊手機(jī)天線的工作指標(biāo),該天線具有很重要的實(shí)用價(jià)值,非常適合超薄移動(dòng)通訊終端。具有非常廣的應(yīng)用前景。

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ZHONG Xiao-qing(1989-),female,M. Sci.,mainly engaged in simulation and optimization of antenna.

鄭勤紅(1962—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)楣怆娮訉W(xué)、光波導(dǎo)理論、電磁理論;

ZHENG Qin-hong,(1962-),male,Ph.D.,professor, doctoral tutor,mainly engaged in optical-electronics,optical wave-guide theory,electromagnetic theory.

姚 斌(1980—),男,博士、副教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡姶艌鰯?shù)值計(jì)算和微波器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

YAO Bin,(1980-),male,Ph.D.,associate professor, master tutor,mainly engaged in electromagnetic field numerical calculation and optimization design ofmicrowave device.

A Com pact M ulti-band Planar M onopole Antenna

ZHONG Xiao-qing1,YAO Bin2,ZHENG Qin-hong2
(School of Physics and Electronic Information,Yunnan Normal University,Kunming Yunnan 650500,China)

A compactmulti-broadband planarmonopole antenna is proposed and designed.The antenna is simulated and optimized with electromagnetic simulation software HFSS13.0(High Frequency Structure Simulator).The antenna is 39mm×29mm×1.7mm in size and resonates atmutiple frequencies.Simulation results show thatwith parameter S11≦-10 dB,the proposed antenna could match well with its feed-line and covermany useful operation frequency bands,including LTE2300,ISM,LTE2500,WLAN,WiMAX, thus is fairly suitable for the present ultra-thin smart phones.

multi-band;compact;LTE;monopole antenna

National International Cooperation in Science and Technology Special Project(No.2012DFA70570);Key Project of National Natural Science Funds(No.50734007)

date：2014-11-21;Revised date：2015-01-07

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(No.2012DFA70570);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.50734007)

O441.4

A

1002-0802(2015)02-0237-05

鐘小清(1989—),女,碩士,主要研究方向?yàn)樘炀€的仿真優(yōu)化;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.025

2014-11-21;

2015-01-07