一種面向移動(dòng)終端的八頻可重構(gòu)天線

引 言

隨著科技的高速發(fā)展，和各種無線通信的服務(wù)要求，使得現(xiàn)在的手機(jī)終端向著更小，更輕，更薄，并且具有多功能發(fā)展。平面倒F 天線（Planar inverted-F Antenna，PIFA）[1]被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備，并且具有緊湊的尺寸和多頻段操作。除此之外，還有單極子天線（monopole），槽天線（slot）也都是常用的手機(jī)內(nèi)置天線。對(duì)于移動(dòng)終端更多頻段、更高帶寬的要求，環(huán)天線被逐漸提出并研究設(shè)計(jì)，但是環(huán)天線的阻抗匹配是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[2]。為了使得環(huán)天線有良好的阻抗匹配，以能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用耦合饋電的方式來獲得多頻段、高帶寬 [3]。除了耦合饋電能改善環(huán)天線性能外，加入感性器件可以偏移頻率，使其工作在有效的頻段范圍內(nèi)[4]。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代通信系統(tǒng)向著大容量、超帶寬、多功能、超帶寬的方向發(fā)展，可重構(gòu)天線的概念被提出并得到廣泛的研究和發(fā)展 [5]。目前，研究最多的就是頻率可重構(gòu)天線，方向圖可重構(gòu)和極化可重構(gòu)還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

本文提出了一種面向移動(dòng)終端的頻率可重構(gòu)內(nèi)置地面環(huán)天線。該天線通過改變饋電點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)頻率的重構(gòu)， 兩種工作狀態(tài)共可以覆蓋移動(dòng)通信服務(wù)的 8個(gè)頻段： 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）。本文對(duì)該設(shè)計(jì)的天線制作了實(shí)物并進(jìn)行了數(shù)據(jù)測試。

1 天線的結(jié)構(gòu)

本文所提出的天線結(jié)構(gòu)和尺寸如圖 1所示。主板采用FR4材料，厚度為 0.8mm，相對(duì)介電常數(shù)為 4.4，損耗正切為0.02。在主板的同一平面上，天線的尺寸只有 60*17mm2，地面的尺寸為 60*83 mm2，主板另一面為空白面，無金屬銅覆蓋。天線的具體尺寸結(jié)構(gòu)如圖1 所示。接有電感的地面環(huán)天線經(jīng)過兩個(gè)“E”字形狀的耦合饋電的貼片進(jìn)行饋電，饋電點(diǎn) 1，2 分別代表兩種工作狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)方法和工作原理在下文介紹。

（a）

（b）

                       圖1 天線結(jié)構(gòu)

2 天線的設(shè)計(jì)

環(huán)天線屬于平衡式天線，不同于平面倒F 天線、單極子天線，其基本工作模式為半波長模式，此外，其還具有一個(gè)波長模式和一個(gè)半波長模式。因此，從最基本的環(huán)天線，可以獲得多個(gè)諧振點(diǎn)。如圖 2 所示，基本的環(huán)天線從饋電點(diǎn)出發(fā)，終端為短路點(diǎn)，從圖 2 天線反射系數(shù)可以看出，-6 dB 反射系數(shù)（VSWR=1 ：3）帶寬能覆蓋的頻帶為 UMTS、DCS、PCS。低頻區(qū)域諧振點(diǎn)在1.1 GHz 附近，但不能夠覆蓋GSM900 頻帶。為了能覆蓋低頻GSM850/900 頻帶，可以加入感性器件來減增加有效電長度，降低諧振頻率，同時(shí)可在地面開槽來增加低頻段帶寬，在這之前，先對(duì)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的設(shè)計(jì)做分析。

本文采用改變饋電點(diǎn)位置來切換工作狀態(tài)[6]，以實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu)。如圖 1（a）所示，通過加入兩個(gè)“E”字形耦合饋電貼片，分別在饋電點(diǎn) 1，2之間切換，通過耦合饋電貼片對(duì)基本的地面環(huán)天線饋電。反射系數(shù)幅度的仿真如圖 3所示， 由于兩個(gè)耦合饋電貼片尺寸大小不同，其做為耦合帶的同時(shí)， 自身也是個(gè)激勵(lì)源，激勵(lì)的頻帶范圍不同。當(dāng)饋電點(diǎn)設(shè)在 1時(shí)， 即工作狀態(tài) 1，其-6dB反射系數(shù)的帶寬能夠覆蓋GPS、LTE CN、WLAN三個(gè)頻段。當(dāng)饋電點(diǎn)設(shè)在 2時(shí)，即工作狀態(tài) 2， 其 -6 dB反射系數(shù)的帶寬只能覆蓋PCS、LTECN兩個(gè)頻段。但是低頻區(qū)域的 GSM850、GSM900都不能覆蓋，雖然實(shí)現(xiàn)了簡單的頻率可重構(gòu)設(shè)計(jì)，但是結(jié)果并不理想。

前面說到，通過加入感性器件和進(jìn)行地面開槽可改善 低頻段性能，達(dá)到理想的 GSM850/900 頻段。為此在天線與 地之間加了一個(gè)感值為 27 nH 的電感 L2，和地面開了一條 長 45 mm，寬 0.5 mm 的縫隙，改變電流的流向和有效電長 度。反射系數(shù)幅度的仿真如圖 4 所示，在改變低頻特性的同 時(shí)，也提高了高頻特性，兩種工作狀態(tài)共能覆蓋 GSM850、 GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN 七個(gè)頻段， 但是出現(xiàn)一些無用的諧振點(diǎn)和頻帶，不能有效地覆蓋所需要的頻段范圍。

為了得到良好的低頻和高頻特性，提高天線的阻抗匹配特性，又嘗試引入一個(gè)感值為18nH的電感 L1連接在兩個(gè)“E” 字形耦合饋電貼片上方的天線部分。這就得到了本文圖 1提出的天線設(shè)計(jì)，其具體實(shí)物圖片如圖 5（a）所示，圖 5（b）給出了最后完整天線的反射系數(shù)幅度的仿真和測試結(jié)果，測試結(jié)果基本與仿真結(jié)果相吻合，能覆蓋上述所提到的八個(gè)頻段， 并且在高頻范圍內(nèi)測試最高可用頻段可擴(kuò)展到 2760MHz，可覆蓋LTE EU（2 500-2 690 MHz）頻段。

3 結(jié) 語

本文 提 出一種 頻率可重 構(gòu)的內(nèi)置 地面 環(huán)天 線， 該 天線采用耦合饋電方式進(jìn)行饋電，并通過改變饋電點(diǎn)位 置 實(shí) 現(xiàn) 可 重 構(gòu) 功 能。 在 60*17 mm2 平 面 上實(shí) 現(xiàn)了-6 dB 反 射 系 數(shù)（VSWR=1 ：3） 的 帶 寬 為 785 ～ 978 MHz、 1 575 ～ 2 760 MHz，可覆蓋 8 個(gè)移動(dòng)通信的常用的頻段， 包括 GSM850、GMS900、GPS、DCS、PCS、UMTS、LTE CN、WLAN。

本文為了測試的準(zhǔn)確性和方便性，沒有對(duì)開關(guān)電路（控制 切換饋電點(diǎn)）進(jìn)行設(shè)計(jì)，若加入開關(guān)電路，在測試中需要考慮 偏置電路引入的寄生參數(shù)。