一种面向移动终端的八频可重构天线

时间：2021-07-25 22:29:08

关键字：关键词手机天线可重构天线耦合馈电环天线

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[导读]摘要：提出一种面向手机应用的可重构内置地面环天线，该天线具有两种工作模式，通过改变馈电点的位置，使得天线工作于不同的频率。该天线的设计中，通过加入感性器件和运用地面开槽技术来提高低频段的特性，同时采用耦合馈电来获得高频段的高带宽。整个天线尺寸60*17 mm2，结构简单，易于制造，可以覆盖移动通信的8个频段。

引言

随着科技的高速发展，和各种无线通信的服务要求，使得现在的手机终端向着更小，更轻，更薄，并且具有多功能发展。平面倒F 天线（Planar inverted-F Antenna，PIFA）[1]被广泛应用于移动设备，并且具有紧凑的尺寸和多频段操作。除此之外，还有单极子天线（monopole），槽天线（slot）也都是常用的手机内置天线。对于移动终端更多频段、更高带宽的要求，环天线被逐渐提出并研究设计，但是环天线的阻抗匹配是设计的难点[2]。为了使得环天线有良好的阻抗匹配，以能够达到设计要求，采用耦合馈电的方式来获得多频段、高带宽 [3]。除了耦合馈电能改善环天线性能外，加入感性器件可以偏移频率，使其工作在有效的频段范围内[4]。为了实现现代通信系统向着大容量、超带宽、多功能、超带宽的方向发展，可重构天线的概念被提出并得到广泛的研究和发展 [5]。目前，研究最多的就是频率可重构天线，方向图可重构和极化可重构还有待进一步发掘。

本文提出了一种面向移动终端的频率可重构内置地面环天线。该天线通过改变馈电点的位置来实现频率的重构，两种工作状态共可以覆盖移动通信服务的 8个频段： GSM850（824 ～880MHz），GSM900（880 ～960MHz）， GPS（1575MHz），DCS（1710～ 1880MHz），PCS（1880 ～1990MHz），UMTS（1 920 ～2 170 MHz），LTE CN（2305～2400MHz），和 WLAN（2400～2480MHz）。本文对该设计的天线制作了实物并进行了数据测试。

1 天线的结构

本文所提出的天线结构和尺寸如图 1所示。主板采用FR4材料，厚度为 0.8mm，相对介电常数为 4.4，损耗正切为0.02。在主板的同一平面上，天线的尺寸只有 60*17mm2，地面的尺寸为 60*83 mm2，主板另一面为空白面，无金属铜覆盖。天线的具体尺寸结构如图1 所示。接有电感的地面环天线经过两个“E”字形状的耦合馈电的贴片进行馈电，馈电点 1，2 分别代表两种工作状态。具体设计方法和工作原理在下文介绍。

（a）

（b）

图1 天线结构

2 天线的设计

环天线属于平衡式天线，不同于平面倒F 天线、单极子天线，其基本工作模式为半波长模式，此外，其还具有一个波长模式和一个半波长模式。因此，从最基本的环天线，可以获得多个谐振点。如图 2 所示，基本的环天线从馈电点出发，终端为短路点，从图 2 天线反射系数可以看出，-6 dB 反射系数（VSWR=1 ：3）带宽能覆盖的频带为 UMTS、DCS、PCS。低频区域谐振点在1.1 GHz 附近，但不能够覆盖GSM900 频带。为了能覆盖低频GSM850/900 频带，可以加入感性器件来减增加有效电长度，降低谐振频率，同时可在地面开槽来增加低频段带宽，在这之前，先对实现可重构的设计做分析。

一种面向移动终端的八频可重构天线

本文采用改变馈电点位置来切换工作状态[6]，以实现频率的可重构。如图 1（a）所示，通过加入两个“E”字形耦合馈电贴片，分别在馈电点 1，2之间切换，通过耦合馈电贴片对基本的地面环天线馈电。反射系数幅度的仿真如图 3所示，由于两个耦合馈电贴片尺寸大小不同，其做为耦合带的同时，自身也是个激励源，激励的频带范围不同。当馈电点设在 1时，即工作状态 1，其-6dB反射系数的带宽能够覆盖GPS、LTE CN、WLAN三个频段。当馈电点设在 2时，即工作状态 2，其 -6 dB反射系数的带宽只能覆盖PCS、LTECN两个频段。但是低频区域的 GSM850、GSM900都不能覆盖，虽然实现了简单的频率可重构设计，但是结果并不理想。

一种面向移动终端的八频可重构天线

前面说到，通过加入感性器件和进行地面开槽可改善低频段性能，达到理想的 GSM850/900 频段。为此在天线与地之间加了一个感值为 27 nH 的电感 L2，和地面开了一条长 45 mm，宽 0.5 mm 的缝隙，改变电流的流向和有效电长度。反射系数幅度的仿真如图 4 所示，在改变低频特性的同时，也提高了高频特性，两种工作状态共能覆盖 GSM850、 GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN 七个频段，但是出现一些无用的谐振点和频带，不能有效地覆盖所需要的频段范围。

一种面向移动终端的八频可重构天线

为了得到良好的低频和高频特性，提高天线的阻抗匹配特性，又尝试引入一个感值为18nH的电感 L1连接在两个“E” 字形耦合馈电贴片上方的天线部分。这就得到了本文图 1提出的天线设计，其具体实物图片如图 5（a）所示，图 5（b）给出了最后完整天线的反射系数幅度的仿真和测试结果，测试结果基本与仿真结果相吻合，能覆盖上述所提到的八个频段，并且在高频范围内测试最高可用频段可扩展到 2760MHz，可覆盖LTE EU（2 500-2 690 MHz）频段。

一种面向移动终端的八频可重构天线

3 结语

本文提出一种频率可重构的内置地面环天线，该天线采用耦合馈电方式进行馈电，并通过改变馈电点位置实现可重构功能。在 60*17 mm2 平面上实现了-6 dB 反射系数（VSWR=1 ：3）的带宽为 785 ～ 978 MHz、 1 575 ～ 2 760 MHz，可覆盖 8 个移动通信的常用的频段，包括 GSM850、GMS900、GPS、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN。

本文为了测试的准确性和方便性，没有对开关电路（控制切换馈电点）进行设计，若加入开关电路，在测试中需要考虑偏置电路引入的寄生参数。