CN107039746A - 一种小型化十一频段手机天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型化十一频段手机天线，该天线由梯形馈电单元、耦合枝节组成。通过曲流技术以及电感加载缩小天线尺寸，天线尺寸仅为37mm×7.2mm。整个天线被印刷在C型FR‑4基板上，采用同轴馈电。测试结果表明：所设计的天线能够覆盖LTE/WWAN八个频段，频段内S11小于‑6dB，并且满足GPS、WIFI以及Bluetooth频段内S11小于‑10dB的要求，具有良好的辐射增益和辐射效率。天线结构新颖、体积小、频带宽，应用前景广阔。

Description

一种小型化十一频段手机天线
技术领域
本发明涉及一种小型化十一频段手机天线。
背景技术
随着无线通信的飞速发展，应用在手机的频段也越来越多。便捷、兼容、高速传输已经成为移动终端不争的事实，而这对手机内置天线多频段、小型化、超宽带的设计也提出了更高的要求。2013年12月，工信部颁布了国内手机4G运营牌照，明确了新一代移动通信的频段划分，即在频段内划分为FDD-LTE band3及TD-LTE band38/39/40/41，这使得新一代移动通信不仅要频率高、频带宽，还要与2G、3G无线通信兼容。天线作为移动终端的重要收发器件，其设计要求也不断提高。为了提高手机天线的各种性能，小型化、超宽带、可重构、多频段等技术得到了广泛运用。
现有的文献中，2015年LEE S W等人在IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters发表题为“A reconfigurable antenna for LTE/WWAN mobilehandset applications”的文章，在该文章中为了提高手机天线的各种性能，小型化、超宽带、可重构、多频段等技术得到了广泛运用。2016年WANG Yan等人在IEEE Transactions onAntennas and Propagation发表题为“Wideband monopole antenna with lessnonground portion for octa-band WWAN/LTE mobile phones”的文章，在该文章中给出了利用金属边框设计的LTE手机天线，天线主要通过滤波器或者添加匹配电路来实现，并引入了大量的电感、电容，从而增加了天线设计的复杂性。
2015年WU Di等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表题为“A compact and low-profile loop antenna with multiband operation for ultra-thin smartphones”的文章，在该文章中提出了小型化的折叠环形天线，天线枝节采用立体架构，设计相对复杂。2015年WANG Shang等人在IEEE Transactions on Antennas andPropagation发表题为“Decoupled dual-antenna system using crossedneutralization lines for LTE/WWAN smartphone applications”的文章，在该文章中提出了一种应用在LTE/WWAN的智能手机双天线系统，实现了702～968 MHz, 1698～2216 MHz以及2264～3000 MHz频段覆盖，该天线为双天线结构，天线之间加入交叉中和线提高隔离度，这对手机天线小型化的实现显得非常困难。
以上天线的设计虽然能够满足带宽、增益以及辐射方向性，但依托地板设计的天线体积大，电路结构复杂，不利于加工；依托手机外壳设计的天线，引入了匹配电路，增加了天线设计的复杂性。根据以上分析，本发明以实现手机天线小型化、超宽带、多频带为目标，设计了一款新型的小型化十一频段手机天线，天线尺寸只有37mm×7.2mm。与已有文献的天线尺寸和覆盖频段相比，本文设计的天线在便携式、小型化移动通信设备中具有较高的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，设计了一种小型化十一频段手机天线，该天线尺寸仅有37×7.2mm2，实测结果表明，该天线-6dB阻抗带宽为682～962MHz和1460～2875MHz，能够覆盖LTE/WWAN八个频段，并且满足GPS、WIFI以及Bluetooth三个频段S11小于-10dB的要求，天线增益为1.4～2.0dBi，辐射效率在51%左右。该天线具有结构新颖、体积小、馈电方便、频带宽等特点，在便携式、小型化移动通信设备中具有较高的实用价值。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种小型化十一频段手机天线，其特征在于：介质基板材料环氧树脂（FR-4），整体为C型槽结构，天线分布在右下角位置，单极子天线印刷在介质基板正面，在背面地板上引出三条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。
所述天线的损耗角正切为0.02。
所述介质基板材料采用相对介电常数为4.4。
所述介质基板材料厚度为0.8mm。
所述天线的尺寸优选为37mm×7.2mm。
所述天线包括馈电端口，B点为接地点。
单极子天线为梯型结构。
所述单极子天线和参考地板分别印刷在介质基板两侧，采用50Ω同轴线馈电最为合适，同轴线外屏蔽层焊接在地板上，内导体穿过电路板焊接在馈电端口。
通过上述方案，可得到一种小型化十一频段手机天线。
更具体地说，为最大限度地缩小天线尺寸，首先在介质基板正面设计一独立的单极子天线，记为结构1，该单极子天线采用梯型结构。通过仿真可知，单极子天线在0.75GHz、1.43GHz和2.60GHz三点产生谐振，可以满足高频段的要求。
为了拓宽低频段带宽，并通过弯折技术缩小天线的尺寸，在地板上引出了一条长为65.0mm的耦合带线（带线1），连同单极子天线记为结构2，该结构使低频谐振点0.75GHz向高频偏移至0.90GHz。对结构2进行仿真分析，发现表面电流主要分布在馈电点附近，为此，在靠近结构2端口处引出第二条带线（带线2），记为结构3，在低频段产生的2个谐振模式相互叠加，阻抗匹配好转，也拓宽了低频段带宽。
图2为天线设计过程中各种结构的S11仿真结果对照图。图3为不同电感值对S11性能的影响，其中下图为低频段放大图。由图可见，当电感逐渐增加时，低频谐振点向低频偏移，三条带线对应产生的3个谐振点逐步向低频展开并显现出来。采用Ansoft公司的HFSS13.0仿真软件对天线优化，且当电感L为2.4nH时，得到最优的结果。
在带线1和带线2之间再添加第三条带线（带线3），记为结构4，由于带线3和带线1尺寸接近，导致这两个枝节产生的谐振点重合，所以三条枝节只能在低频段产生2个谐振点。天线谐振频率与等效电感、等效电容间的关系为：
其中，L为等效电感，C为等效电容。
由式(1)可知，天线谐振频率的偏移，可以通过改变加载的电感或电容值来调节，为此，在如图1所示的C点处引入电感，记为结构5，通过逐步增加电感值，使带线2和带线3的谐振点向低频移动，从而展宽低频带宽。
为了使天线能够完全覆盖704～960MHz和1710～2690MHz频带，在天线结构设计过程中首先需要确认对工作频带产生影响的关键参数，通过优化关键参数，最终得到满足需求的天线结构。如图1所示，关键参数主要有带线1沿y方向W3的长度、沿x方向g7的厚度以及带线3沿y方向W9的长度。
如图4所示为关键参数对天线S11的影响图。图4(a)给出了不同W3对S11的影响，W3对低频段以及高频段都有较大影响，增大W3，能够使谐振点整体向高频偏移，同时能够拉低谐振频率，拓宽频段带宽，但继续增大W3，低频带阻抗匹配效果变差。图4(b)中W9对高频段谐振频率影响较小，对低频谐振频率影响较大，增大W9，低频段带宽拓宽，但随着W9的继续增大，谐振点向低频偏移，低频带上限被拉低，阻抗匹配效果不佳，不能满足低频带宽要求。图4(c)给出了不同g7对S11的影响，g7对低频段谐振频率影响较大，减小或增大g7，均影响低频带阻抗匹配，优化后折中取值。
该天线频带调节的方法，首先调节带线1的整体长度，使天线高频段带宽能够覆盖DCS1800/PCS1900/UMTS2100/ LTE2300/2500，然后调节带线2和带线3相应的长度和厚度，稳定低频段的上限，再调节W9和g7，拓展低频段下限，优化低频带阻抗匹配，使低频带宽能够覆盖LTE700/GSM850/900。优化后的关键参数（W3=37.0mm,W9=5.1mm, g7=0.4mm）使设计的天线能够覆盖LTE/WWAN八个频段，频段内S11小于-6 dB，并且满足GPS、WIFI以及Bluetooth频段内S11小于-10dB的要求。
附图说明
图1示出了本发明的天线结构。
图2示出了本发明的各种结构的S11仿真结果。
图3示出了不同电感值对S11的影响。
图4示出了不同关键参数值对天线S11的影响，图4 (a) 不同W3值对S11的影响，图4 (b) 不同W9值对S11的影响，图4 (c) 不同g7值对S11的影响。
图5示出了本发明的天线实物图。
图6示出了仿真与测试S11对比图。
图7示出了不同频率的天线表面电流分布图。
图8示出了天线辐射方向图。
图9示出了低频段天线增益和辐射效率。
图10示出了天线增益和辐射效率。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例1
本发明的天线的结构如图1所示，具体尺寸如表1所示。介质基板材料采用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8mm的环氧树脂（FR-4），整体为C型槽结构。天线分布在右下角位置，尺寸为37mm×7.2mm。单极子天线为梯型结构，印刷在介质基板正面，在背面地板上引出三条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。
单极子天线和参考地板分别印刷在介质基板两侧，采用50Ω同轴线馈电最为合适，同轴线外屏蔽层焊接在地板上，内导体穿过电路板焊接在馈电端口，图1中标注的A点为馈电端口，B点为接地点。
根据图1的天线结构及尺寸，加工制成如图5所示的实物。介质基板被做成C型槽结构，镂空的C型结构可以给手机电池预留空间，进一步缩小手机机身的厚度。利用矢量网络分析仪Agilent N5247A对实物进行测试，测试和仿真结果如图6所示。
由图6可见，实测和仿真结果基本吻合，实测结果在高频段带宽变窄，存在的偏差主要由加工工艺、精度、测试环境以及FR-4介电常数的不稳定性等因素造成。实测带宽为：682～962MHz和1460～2875MHz，能够覆盖LTE/WWAN以及GPS/WIFI/Bluetooth所有频段，满足设计要求。
图7给出了0.72GHz、0.87GHz、1.55GHz、2.25GHz以及2.50GHz谐振点的天线表面电流分布图。由图可知，低频段0.72GHz表面电流主要分布在带线1、带线2以及带线3上，0.87GHz表面电流主要分布带线3和带线2上，高频段1.55GHz表面电流主要分布在单极子天线和带线1上，频率在2.30GHz时，谐振模式则是主要由带线3激发产生，频率在2.50GHz时，谐振模式则是由带线2以及带线3共同激发产生。
对天线辐射特性进行了测试，图8给出了天线在0.76GHz、1.80GHz以及2.50GHz三个频点在x-y面、y-z面和z-x面的辐射方向图。由图可知，在y-z面上基本呈现一个圆形，而在x-y、z-x面呈现类“8”字形，有一定的畸变，这主要由于各枝节之间电磁干扰、多模谐振等因素影响所致。通过对比分析图中主极化E φ和交叉极化E ϕ，可知本文设计的天线具有较好的方向性和极化特性，能满足手机天线方向性要求。
天线增益和效率测试结果如图9、图10所示。由图可知，低频段天线实测增益在1.5dBi左右，实测辐射效率在45%～52%之间；在高频段，天线实测增益在1.4～2.0dBi之间变化，辐射效率在48%～53%之间。能够满足手机通信系统的应用需求，具有良好的应用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型化十一频段手机天线，其特征在于：介质基板材料环氧树脂（FR-4），整体为C型槽结构，天线分布在右下角位置，单极子天线印刷在介质基板正面，在背面地板上引出三条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。
2.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：所述天线的损耗角正切为0.02。
3.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：所述介质基板材料采用相对介电常数为4.4。
4.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：所述介质基板材料厚度为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：所述天线的尺寸优选为37mm×7.2mm。
6.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：所述天线包括馈电端口，B点为接地点。
7.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：单极子天线为梯型结构。
8.根据权利要求7所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：所述单极子天线和参考地板分别印刷在介质基板两侧，采用50Ω同轴线馈电，同轴线外屏蔽层焊接在地板上，内导体穿过电路板焊接在馈电端口。
9.根据权利要求1所述的小型化十一频段手机天线，其特征在于：单极子天线为梯型结构。
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