CN110011031A - 一种小型化超宽带十频段手机天线 - Google Patents

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Abstract

研究了小型化双层微带天线频带展宽的方法，设计了一款小型化超宽带十频段LTE/WWAN手机天线，天线尺寸仅有36mm×8mm×0.8mm。该天线通过地枝节耦合技术拓宽高频带宽，再通过集总加载技术调节阻抗匹配，拓宽低频带宽。测试结果表明，该方法能有效展宽天线带宽，能够覆盖LTE700/GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500八个频段，并且满足Bluetooth及WIFI频段内S11小于‑10dB的要求，与传统手机天线相比具有尺寸更小、易调谐、结构简单等优点，具有良好的辐射效率和辐射增益。

Description

一种小型化超宽带十频段手机天线
技术领域
本发明涉及一种小型化超宽带十频段手机天线，属于天线技术领域。
技术背景
随着无线通信技术的飞快发展，小型化、功能多、传输快已经成为移动设备的新特点[[1]-4]。昔日的手机天线功能单一、体积大、频段少，已不能满足现行智能化、高效率、服务多的通信业务需求，新一代移动通信不仅要频带宽、功能多，还要兼容2G、3G通信业务，设计要求越来越高。利用可重构技术能够解决多频段、小型化的问题，传统的单极子天线[5-6]采用增加结构的复杂度和增加天线的尺寸来拓展天线的带宽和频率，但天线尺寸体积较大，这对手机天线的小型化设计显得非常困难。传统的利用手机金属边框设计的天线，天线通过添加匹配电路或滤波器实现频带覆盖，但引入的电容、电感又增加了天线设计的复杂性，不利于系统的集成。前有的技术给我出了超宽带、窄边框折叠天线，天线枝节采用立体结构，不利于加工。
发明内容
针对以上天线设计的不足，本文以实现手机天线小型化、多频带、超宽带为目的，设计了一款小型化超宽带十频段LTE/WWAN手机天线，天线尺寸只有36mm×8mm×0.8mm。与已有文献的天线覆盖频段和尺寸相比，该天线具有较大的优势。
本发明的主要是一种小型化超宽带十频段手机天线。其特征在于，天线的整体结构介质基板采用的C型槽结构，相对介电常数为ε=4.4，损耗正切值为tanδ=0.02，厚度为0.8mm的环氧树脂（FR-4）。所述的介质基板正面印刷了梯型结构的单极子天线，背面则从参考地板引出了两条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。所述的天线采用50Ω同轴线馈电，A为馈电口，B为短路点，C点为加载的电感L。
所述的天线设计采用的微带线激发的谐振频率其公式满足：
f 0 =c/4(L f +W f ) （1）
式中c为真空中的光速，f 0 为产生的谐振频率。
L f 和W f 分别为微带线的长和宽，很明显微带线的宽度可以忽略不计，该公式可以近似写成：
f 0 =c/4L f （2）
所述的天线谐振频率与等效电容、等效电感间的关系为：
f 0 = 1/(2π(LC)1/2) （3）
其中，C为等效电容，L为等效电感。
采用Ansoft HFSS 17软件进行仿真，通过一系列优化，得出了天线尺寸参数如表1所示。
表1 天线尺寸参数表（单位：mm）
参数 尺寸 参数 尺寸 参数 尺寸 参数 尺寸
<i>W</i> 60.0 <i>H</i> 3.6 <i>g1</i> 0.8 <i>W6</i> 11.9
<i>L1</i> 120 <i>g</i> 1.7 <i>H1</i> 3.2 <i>W7</i> 3.5
<i>W1</i> 36.0 <i>L4</i> 10.0 <i>H2</i> 2.0 <i>W8</i> 4.1
<i>L2</i> 50.0 <i>L5</i> 8.0 <i>W3</i> 32.5 <i>g2</i> 2.8
<i>W2</i> 22.0 <i>L6</i> 6.5 <i>W4</i> 12 <i>g3</i> 0.4
<i>L3</i> 60.0 <i>L7</i> 4.6 <i>W5</i> 8.1 <i>g4</i> 1.2
进一步而言，所述的微带线激发的谐振频率与微带线的长度成反比。
进一步而言，所述的单极子天线为两边不对称梯型结构，整体尺寸小，在高频段1600MHz、3600MHz处产生两个谐振。
进一步而言，所述的参考地板引出2条带线，右侧高频谐振点向左偏移至2560MHz，覆盖DCS1800/PCS1900/UMTS2100及LTE2300/2500，并且满足Bluetooth及WIFI频段内S11小于-10dB的要求。
进一步而言，所述的带线1、2的长度均在60mm左右。
进一步而言，为了解决低频覆盖问题，在带线合适位置加载电感或电容，通过改变其数值大小可以调节天线谐振频率，从而展宽低频带宽，覆盖LTE700/GSM850/900。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1天线结构图；
图2 不同天线结构S11仿真；
图3 实物图；
图4 天线S11及效率、增益图；’
图5 表面电流分布图；
图6 天线辐射方向图。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
实施事例1，如图1所示，讲述了天线的整体结构。介质基板整体为C型槽结构，为相对介电常数为ε=4.4，损耗正切值为tanδ=0.02，厚度为0.8 mm的环氧树脂（FR-4）。介质基板正面印刷了梯型结构的单极子天线，背面则从参考地板引出了两条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。如图1（b）所示，该天线采用50Ω同轴线馈电，A为馈电口，B为短路点，C点为加载的电感L。
实施事例2，如图2所示，天线设计过程及S11仿真结果。首先，在C型介质基板正面上设计一梯型单极子天线，记为天线#1，然后在背面的金属板上引出带线1就构成了天线#2，很明显此时在高频段阻抗匹配较好，再引出带线2以后形成了天线#3，此时在低频段产生2个谐振，但是谐振点相距较远，最后，在带线1的C点加载1.5nH的电感（天线#4），使得谐振频率整体向左偏移，从而满足了设计要求。
实施事例3，如图3和图4所示，
通过仿真优化后，将天线模型加工制作成实物。用矢量网络分析仪Agilent N5247A及微波暗室对实物测试，天线S11及效率、增益的测试结果。图4（a）实测与仿真的S11基本吻合，实测带宽为653-1014MHz和1532-2726MHz，低频相对带宽为43%左右，高频相对带宽为56%左右，能够覆盖LTE/WWAN以及Bluetooth/WIFI所有频段。天线效率及增益测试结果如图4(b)所示，天线实测辐射效率及增益在43%~52%和1.5dBi~ 2.3dBi之间变化，能够满足目前手机通信应用的要求。
实施事例4，如图5所示，给出了850MHz、1850MHz和2500MHz谐振频率的天线表面电流分布。由图可知，低频段850MHz表面电流主要分布在带线2上；频率在1850MHz时，谐振模式主要由梯型单极子天线激发；而2500MHz表面电流主要分布在带线1上。
实施事例5，如图6所示，对天线的辐射特性进行了测试，给出了850MHz、1850MHz和2500MHz这3个谐振频率在y-z面和z-x面的辐射方向图。对比分析图中主极化E θ 和交差极化E ϕ ，可以看出天线辐射方向呈现全向辐射，设计的天线具有较好的极化特性和方向性，也具有稳定的辐射性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化超宽带十频段手机天线。其特征在于，所述天线的整体结构介质基板采用的C型槽结构，所述的介质基板正面印刷了梯型结构的单极子天线，背面则从参考地板引出了两条耦合枝节，并通过改变电感L值来实现天线带宽的展宽。所述的天线采用50Ω同轴线馈电，A为馈电口，B为短路点，C点为加载的电感L。所述的天线设计采用的微带线激发的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的一种小型化超宽带十频段手机天线，其特征在于：
所述的相对介电常数为ε=4.4，损耗正切值为tanδ=0.02，厚度为0.8 mm的环氧树脂（FR-4）。
3.根据权利要求1所述的一种小型化超宽带十频段手机天线，其特征在于：所述的微带线激发的谐振频率与微带线的长度成反比。
4.根据权利要求1所述的一种小型化超宽带十频段手机天线，其特征在于：所述的单极子天线为两边不对称梯型结构，整体尺寸小，在高频段1600MHz、3600MHz处产生两个谐振。
5.根据权利要求1所述的一种小型化超宽带十频段手机天线，其特征在于：所述的参考地板引出2条带线，右侧高频谐振点向左偏移至2560MHz，覆盖DCS1800/PCS1900/UMTS2100及LTE2300/2500，并且满足Bluetooth及WIFI频段内S11小于-10dB的要求。
6.根据权利要求5所述的一种小型化超宽带十频段手机天线，其特征在于：所述的带线1、2的长度均在60mm左右。
7.根据权利要求6所述的一种小型化超宽带十频段手机天线，其特征在于：所述的带线合适位置加载电感或电容，通过改变其数值大小可以调节天线谐振频率，从而展宽低频带宽，覆盖LTE700/GSM850/900。
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