一种共面结构的4G 手机天线研究

建忠　裘国华

（中国计量学院信息工程学院，浙江 杭州 310018）

【摘　要】本文提出了一种适用于4G手机的平面天线，该天线采用接地板共面和多枝节连接地板结构扩展带宽，可以产生0.75GHz、2.6GHz和3.5GHz三个工作频率，增益分别为2.7dBi、4.9dBi和5.3dBi，工作频带为0.69GHz~0.82GHz和2.49GHz~4.06GHz. 仿真和测试结果基本吻合。研究表明该天线可以满足4G手机工作需求，具有较好的应用前景。

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关键词 4G手机；接地板共面；多频；宽带天线

基金项目：浙江省科技厅公益技术应用研究项目（2012F82G2080016）。

作者简介：孙建忠（1978—），男，青海西宁人，博士研究生，研究方向为天线、太赫兹波技术。

裘国华（1974—），男，浙江绍兴人，博士，讲师，研究方向为微波器件设计教育的理论和实践。

随着新一代移动通信的快速发展，以及LTE标准的兴起，移动通信系统正向着4G时代稳步迈进。 TD-LTE是我国自主创新的4G技术，与欧洲主导的FDD-LTE技术一起被国际电信联盟确立为两大国际4G标准. 我国已将2500-2690MHz共190MHz的频谱资源全部划分给TD-LTE，英国等部分运营商使用2.6GHz和3.5/3.6 GHz频段布署LTE网络，美国、加拿大、澳大利亚、智利等国家已批准700MHz频段用于LTE，我国也已将700MHz和3.5GHz频段列入未来规划。如此多的频段，使得传统的手机天线已经不能满足4G无线通信需求. 如今，多频、宽频带和低剖面已经成为4G手机天线设计的热点。 近期，学者们已经提出了各种宽带手机天线，例如PIFA天线[1-2]，印刷环形天线[3]，印刷单极子天线[4-7]，缝隙天线[8]，可重构天线[9-10]。

本文提出一种适用于4G手机的平面天线。 该天线采用接地板共面结构，能够节约空间，易于实现手机的小型化，通过多枝节连接地板结构来扩展带宽，从而实现宽频特性，利用接地枝节耦合，形成分布式电感，调节阻抗匹配，改善低频和高频段的性能. 通过对天线结构进行仿真设计，获得天线最终优化结构参数，并完成加工与测试。 研究表明，该天线可以产生0.75GHz、2.6GHz和3.5GHz三个谐振频率点，工作频段为0.69GHz~0.82GHz和2.49GHz~4.06GHz，很好地覆盖了4G无线通信的主要频段，可以满足4G手机的工作需求。

1　天线设计

1.1　天线结构设计

本文提出的接地板共面结构的4G手机天线结构如图1所示。采用介电常数为4.4的FR4介质材料作基体，大小为120mm×60mm，厚度为1.6mm，A点为馈电点，B点为短路点。 与馈电点相连的是一个由矩形减去一个小矩形而成的辐射振子，与短路点相连的是一段迂回枝节，迂回枝节的右侧由三段枝节与接地板相连. 接地板的左上角设有接地迂回枝节，形成分布电感，用于调节阻抗匹配。

1.2　天线结构优化

图2为天线分别在左侧无接地枝节（形状1）、只有一段接地枝节（形状2）和带有接地迂回枝节（形状3）时的仿真曲线图，由图可知，当天线没有接地枝节时，低频段的谐振频率点约为1.13GHz，中频段有多个谐振点，6dB阻抗带宽为2.49GHz~3.38GHz. 当天线只有一段接地枝节时，低频段的谐振点为0.77GHz，该谐振点处的回波损耗为-10.4dB，中频段的谐振点为2.61GHz，高频段的谐振点为3.62GHz，6dB阻抗带宽为2.51GHz~4.07GHz。当天线带有接地迂回枝节时，低频段的谐振点为0.75GHz，该谐振点处的回波损耗为-14.2dB，中频段的谐振点为2.60GHz，高频段的谐振点为3.49GHz，6dB阻抗带宽能够覆盖2.49GHz~4.06GHz. 接地迂回枝节的长度L2对天线性能的影响如图3所示。 由图可知，当L2的长度依次为12.5mm、13.5mm、14.5mm时，高频段的谐振点依次为3.52GHz、3.49GHz、3.41GHz，而低频段和中频段的变化不明显。 对比可知，接地迂回枝节能够很好地调节阻抗匹配，改善低频和高频段的性能，使天线满足4G无线通信需求。

右侧接地枝节对天线性能的影响如图4所示。 图4（a）可见，当天线右侧没有接地枝节或只有上端接地枝节时（形状4和形状5），6dB阻抗带宽都比较窄，低频段和中频段的谐振点都不处于4G无线通信频段。当天线右侧只有中间接地枝节时（形状6），低频段谐振点为0.72GHz，6dB阻抗带宽能够覆盖0.67GHz~0.78GHz，中频段和高频段的谐振点分别为2.59GHz和3.37GHz，6dB阻抗带宽能够覆2.49GHz~3.94GHz. 当天线右侧只有下端接地枝节时（形状7），低频段谐振点为0.73GHz，6dB阻抗带宽能够覆盖0.68GHz~0.82GHz，中频段和高频段的谐振点分别为2.75GHz和3.58GHz，6dB阻抗带宽能够覆盖2.47GHz~3.97GHz. 图4（b）表明当天线右侧有两段接地枝节时（形状8、形状9、形状10），低频段谐振点均在0.75GHz附近，6dB阻抗带宽均为100MHz左右，中频段谐振点均在2.6GHz附近，高频段谐振点均在3.4GHz附近，6dB阻抗带宽均能基本覆盖4G无线通信主要频段. 研究结果表明天线右侧的接地枝节可以较好地改善阻抗匹配，扩展带宽，使天线满足4G无线通信需求. 天线经优化后，最终确定的尺寸参数为：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。

（ａ）

（ｂ）

2　天线制作与测试结果分析

本文加工制作的接地板共面结构的4G手机天线如图5所示。 利用微波网络分析仪R3765CH对所加工天线进行测试分析，结果如图6所示. 仿真软件得到天线在低频段谐振于0.75GHz，工作频段为0.69GHz~0.82GHz，中频段和高频段分别谐振于2.60GHz和3.49GHz，工作频段为2.49GHz~4.06GHz。实际测试结果为：天线在低频段谐振于0.778GHz，工作频段为0.724GHz~0.844GHz，中频段和高频段分别谐振于2.528GHz和3.501GHz，工作频段为2.328GHz~3.620GHz频段。 测试与仿真结果存在细微差异，主要是由于SMA接头存在损耗，和实际测试环境中存在一定的电磁干扰所致。

图7所示为0.75GHz、2.6GHz、3.5GHz处的天线测试的E面和H面场图。 由图可知，天线的增益分别为2.7dBi、4.9dBi和5.3dBi，同时也表明天线具有较好的全向性。

（a）f=0.75GHz

（b）f=2.6GHz

（c）f=3.5GHz

图7　天线的测试方向图

（上接第70页）本文提出一种适用于4G无线通信的共面结构的平面天线，并对其进行了仿真与加工测试。研究结果表明该天线的第一个中心频率为0.75GHz，频带宽度为130MHz（0.69GHz~0.82GHz），天线增益为2.7dBi；第二个和第三个中心频率分别为2.6GHz和3.5GHz，频带宽度为1570 MHz（2.49GHz~4.06GHz），天线增益分别为4.9dBi和5.3dBi。该天线能很好地满足4G无线通信频段标准，在4G无线通信中具有广阔的应用前景。

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参考文献

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［责任编辑：杨玉洁］