小型化手机天线的设计

[摘要]文章对一种小型的具有短路线的平面单极子天线结构进行多种改进，研究了结构的改变对天线回波损耗的影响；并据此制作了天线实物，分析了天线的回波损耗和辐射方向等特性。该天线满足普通GSM手机GSM／DCS频段的通信需求。

[关键词]小型化手机天线　平面单极子天线　回波损耗　Ansoft HFss

1　引言

随着移动通信技术的发展和电子器件制造技术的进步，人们出于对便捷、即时、准确通信的需求，对手机天线提出了越来越高的要求。要研制出具有尺寸小、重量轻、携带方便等特点的手机天线，小型化设计成为了首要的挑战。天线的性能对物理尺寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线的频带变窄、效率降低。如何在保证天线工作性能的前提下，减小天线的尺寸、扩展频带的宽度，成为当今世界性的研究热点。本课题正是在这种情况下提出的，在理论与实际应用上都具有一定的意义和价值。

目前，对天线设计的小型化，主要可以采取以下措施：加载短路探针、采用特殊介质基片、表面开槽、附加有源网络等等。本文将研究加载短路线、导体表面开槽、调整馈电线路宽度及其与短路线距离、改变接地板长度等小型化设计方法对天线工作性能的影响，进而调节天线的谐振频率与带宽，以满足通信频段要求。

2　天线结构

本文研究的是一种具有短路结构的折叠平面单极子天线，这种天线具有结构简单、尺寸小、低剖面和全向辐射等优点，适合在手机通信中作为内置天线使用。

对该天线而言，介质基片的厚度会影响谐振频率点的带宽及增益，介质基片太薄则增益较高但谐振点的带宽较窄，尤其是在第一谐振点900MHz附近，当介质基片厚度为0.8mm时，VSWR≤1：2.5的带宽仅有3MHz，不满足手机通信的要求；但是基片的厚度大、介电常数大，也会激起更多的表面波。天线的效率将有所下降。因此，选择合适的厚度和介电常数，也是设计平面单极子天线必须考虑到的。本文选取空气作为介质，其相对介电常数为1，天线高度为6mm，即为空气厚度，仿真结果表明具有良好特性。

天线辐射贴片部分的平面结构如图1所示。将图中平面结构铜皮按标注折叠，得到该天线的辐射部分立体形状，再将短路点与尺寸为65mm×36mm的铜板(接地板)相连接，最终得到图2所示天线的立体结构图。

3　天线结构改变及其影响

使用Ansoft HFSS软件进行仿真设计，研究天线的结构参数对其工作性能的影响，进而调节天线的谐振频率与带宽，在满足通信频段要求的前提下，尽量减小尺寸。

3.1　开槽

如图3所示，在辐射贴片表面开槽，并通过调节开槽的长度，使其结构发生变化，进而改变电流分布，即在有限的体积内，通过弯曲迂回延长电流路径，以更小的尺寸获得相同的谐振频率。开槽长度为m。

取开槽宽度为3mm不变(其它参数均不变，以后各小节同此)，改变参数m的值，分别取m=14mm、16.5mm、18.5mm、21mm，得到天线的回波损耗(Return Loss)如N4所示。由图可知，开槽的长度改变，对天线在1800MHz频段内工作性能影响不大，主要影响天线900MHz频段。增大开槽长度m，天线900MHz频段谐振频率降低，有利于减小天线尺寸，但同时其低频段带宽也变窄。根据仿真结果确定开槽长度为16.5mm，此时天线低频段带宽能够满足GSM900的要求。

3.2　馈电线路宽度

馈线的宽度w对天线的工作性能具有一定的影响。适当改变参数w的值，对天线回波损耗的影响如图5所示。从图中可以看出，馈电线路宽度对天线在1800MHz频段工作性能影响不大，但是，当w=1mm时，900MHz的频段谐振频率较低，偏离通信要求(虚点所示)，不能满足带宽需求；增大w值为2mm，其谐振频率点发生偏移，天线性能得到改善(实线所示)；继续增大w的值，谐振频率太高，同样偏离要求频段，低频工作频带不能满足GSM900的要求。由此确定w的值为2，此时天线在900MHz频段性能更好，具有较好的-6dB带宽。

3.3　馈电与短路线距离

馈电线路与短路线之间的距离为d，图6所示为d变化对天线回波损耗的影响。从图中可以看出，不同d值对天线的两个工作频段都有影响，且对高频段的影响看起来更大，增大d值会导致天线谐振频率升高；但由于高频段带宽较宽，因此d值的改变并不影响天线覆盖DCS1800通信频段；而在低频段，由于天线的带宽较窄，d的选择将影响到天线能否覆盖GSM900频段。根据仿真结果，最终选择d=2mm。

3.4　地板长度

地板宽度保持36mm不变(与天线辐射部分宽度相同)，改变其长度g的值。分别令g=60mm、65mm、75mm、83mm，对比不同尺寸接地板对天线性能的影响，结果如图7所示。从图中可以看出，g=83mm时，天线在1800MHz频段回波损耗性能不好，且地板面积太大。减小g值，发现天线在1800MHz频段性能开始逐渐改善；直至g=65mm时，900MHz频段依然满足带宽要求，且1800MHz频段性能良好。继续减小地板尺寸(g=60mm)，则该天线900MHz频段不再满足通信要求。由此可知，选择g=65mm为最佳结果，既满足各频段的带宽要求，又具有较小的面积。

4　天线制作与仿真

根据上述优化结果，确定天线各项尺寸参数：天线接地板尺寸为36×65mm2，天线辐射部分整体尺寸为36×15.8×6mm3，各项细节参数如图1所示。根据设计结果制作天线，如图8所示。天线选取厚度为0.2mm的铜皮制作，在其馈电点焊接一个50欧姆的同轴带线接头，以便测试连接。

使用安捷伦公司的网络分析仪HP8720D对天线进行测试，实际测试结果与仿真对比如图9所示。可以看出实测与仿真结果具有较好的一致性，该天线的6dB带宽为80MHz和610MHz，可以覆盖GSM900MHz及DCSI800MHz两个频段，满足手机通信要求。

图10给出了天线辐射方向图的仿真结果，从图中可以看出，天线在900MHz、1800MHz都具有较好的全向性。

作者简介

王丁玉：北京交通大学电子信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为电磁场与微波技术。