應用于平板電腦的4G-LTE/WWAN天線設計

時間：2021-11-17 21:54:32

關鍵字：小型化多頻段寬帶化天線設計

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[導讀]摘要：隨著3G網(wǎng)絡的廣泛建設以及LTE和WiMAX標準的興起，移動通信系統(tǒng)正向著4G時代穩(wěn)步邁進。文中提出了一種應用在平板電腦上多頻段平面單極LTE/WWAN天線的設計方法，該天線結構由一個變形的L貼片和兩個寄生短截線構成。天線的頻段可覆蓋整個LTE(LTE700/2300/2500)及五個WWAN(GSM850/900/1800/1900/UMTS)頻段。其頻率帶寬可分為低頻部分：700?960MHz和高頻部分：1710?2700MHz,可在整個帶寬內(nèi)做到無縫銜接的寬帶通信。該天線不僅可以實現(xiàn)寬頻化，而且結構簡單、尺寸小、易于集成。

引言

隨著4G網(wǎng)絡的興起，移動通信產(chǎn)業(yè)又迎來一個高速發(fā)展的時期。移動終端設備也進一步朝著互聯(lián)網(wǎng)在線設備的方向發(fā)展，而天線作為終端的關鍵部件，其性能極大地制約著終端的整體性能，傳統(tǒng)的移動終端天線已經(jīng)不能滿足4G無線通信多頻帶和寬頻化的要求。研制能覆蓋LTE和原有所有通信頻率的小型化天線就具有十分重要的意義。本文正是以此為背景，設計了一款應用于平板電腦的4G-LTE天線。天線的尺寸為40mmX15mm，能夠產(chǎn)生的工作頻段能覆蓋所需要的700?960MHz和1710?2700MHz頻段。目前中國移動進行的TD-LTE規(guī)模試驗使用的D頻段(2575?2614MHz),最終結合F頻(1880?1900MHz)共同組建4G-LTE網(wǎng)絡。中國聯(lián)通的4G-LTE實驗網(wǎng)絡已經(jīng)確定采用1800MHz的頻段(1755MHz?1785MHz，1850MHz?1880MHz)進行測試，中國電信使用2.6GHz(2600?2620MHz或2635?2655MHz)為主要頻率。因此，我們所設計的天線完全滿足4G系統(tǒng)對于工作頻段的要求。

1天線結構設計

由于微帶天線具有薄的平面結構、便于共形、制作簡單、成本低等優(yōu)點，被廣泛用于測量和通信行業(yè)的各個領域。本文就是基于FR4介質(zhì)基板的微帶天線。選用的FR4介質(zhì)基板的er=4.4,損耗角正切為0.02,厚度為0.8mm。圖1給出了天線的幾何尺寸。

圖1天線結構圖

使用195mmX107mm的FR4基板加上天線高度的15mm來模擬195mmX122mm的7英寸的顯示器，模擬顯示器的大小可以變化，而且對天線的影響較小。天線由一個變形的倒L結構的驅(qū)動單極天線和兩根寄生的輻射單元構成。天線在B點處使用50Q同軸線饋電。A點穿過介質(zhì)基板與接地板相連。經(jīng)過仿真優(yōu)化后計算，變形倒L結構的貼片作為四分之一波長諧振結構激勵起工作于1950Mhz的基本諧振模式。變形倒L結構的輻射貼片與輻射單元通過縫隙G1耦合饋電。一根輻射單元激勵起工作于960Mhz的諧振模式，另一根激勵起工作于760Mhz的諧振模式，同時激勵起一個2550Mhz高階諧振模。為了提高低頻段的阻抗帶寬，通過在接地板上插入一個寬度為2mm的L型縫隙拓展低頻帶寬以達到LTE700/GSM900MHz對于頻段的要求。L型縫隙的高為19mm，長為47mm，距離接地板右邊緣最近的距離為26.9mm。利用AnsoftHFSS軟件對天線進行仿真和優(yōu)化后天線結構的各個參數(shù)為：L=40mm，W=15mm，L1=36.7mm，L2=31.5mm，L3=16.3mm，L4=6.8mm，L5=7mm，L6=12mm，L7=7.9mm，L8=5mm，L9=10.2mm，L10=6mm，L11=8mm，L12=7mm，L13=4.6mm，L14=10mm，L15=1.9mm，W1=1.5mm，W2=0.5mm，W3=0.5mm，W4=0.3mm，W5=0.3mm，W6=0.3mm，G1=0.3mm。

2天線制作與數(shù)據(jù)測試

通過AnsoftHFSS軟件對天線尺寸進行仿真和優(yōu)化，再根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸，對該天線進行實物加工和測試，天線的加工實物如圖2和圖3所示。并利用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線實物進行測試。利用矢量網(wǎng)絡分析儀進行實測的回波損耗如圖4所示。通常我們使用-6dB的回波損耗作為移動終端天線性能好壞的區(qū)分點。通過實測的結果和仿真的對比。可以看出在我們需要的頻帶內(nèi)，回波損耗都在-6dB以下。仿真和測試的結果整體基本吻合，在2.63Ghz，天線實測數(shù)據(jù)明顯好于仿真數(shù)據(jù)，其主要原因是我們選用的低成本FR4板材的損耗角正切值是隨頻率增加而明顯增大的，其在高頻段其真實的損耗大于仿真過程預先設置的固定值。此外，還有一些重要的原因，比如天線尺寸的加工誤差、同軸連接器接頭的焊接精度及測量環(huán)境不穩(wěn)定等客觀因素都會造成損耗的增大。盡管如此，天線的設計還是基本達到了我們的預期。