LTE单极手机天线的设计

1、LTE单极手机天线的设计 摘要：提出了一种平面印刷六频段单极手机天线。该天线采用了在倒三角形单极天线底部添加半圈矩形螺旋枝节的结构，实现了小型化和多频化的性能。仿真与实测结果表明，天线在回波损耗S11<-6dB时，工作频段完全覆盖了GSM/DCS/PCS/UMTS/LTE频率范围；增益在低频段为0.82-1.57dBi，在高频段为2.1-4.5dBi范围；在相应工作点辐射方向图有良好的全向性，具有较高的工程应用价值。 关键词：多频天线 印刷单极 手机天线 LTE 中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）01-0000-00 随着应用的需求，手机产品

2、设计日渐小型化，保证天线各项性能指标的同时减小天线尺寸已经成为研究的热点。 现今的手机天线的主要有： （1）单天线多频段。单天线多频段技。术主要分为单极子多谐振点天线1，缝隙天线2， PIFA 天线与缝隙天线3、寄生天线4的组合。 （2）可重构天线。主要利用 PIN 二极管，射频开关和 MEMS 开关控制结构的电 连接5。 （3） MIMO天线。在多频段的情况下，人们对无线通信系统的要求越来越高，如高的传输速率，低误码率等，这就需要研究多输入多输出（MIMO）天线6。 在综合以上研究的基础上，本文通过在倒三角形单极天线底部添加半圈矩形螺支节的结构，以达到小型化和多频化的目的。 1 天线结构设计

3、 本文运用倒三角形单极子作为辐射贴片主体，并在其底部添加折叠的矩形螺旋支节，使其产生多条谐振电流。由此设计出了一款六频段单极手机天线，能满足手机终端设备的多频应用需求。天线结构如图1所示。 天线单元由倒三角形的单极贴片和底部添加的半圈矩形螺旋支节构成，接地板选为：50mm120mm1mm，采用相对介电常数=4.4，损耗角正切tan为0.02的FR4基板。 图1 天线结构示意图 Fig.1 Structure diagram 2 天线仿真与测试结果 通过调整辐射贴片参数，如改变矩形螺旋支节的长度、宽度，三角形贴片的角度以及它与螺旋支节的距离，得到的天线参数优化以后的数值如表1所示。 表1 天线参

4、数值 Table 1 The value of parameters 天线参数 尺寸（mm） 天线参数 尺寸（mm） a 36 f 31 b 15.5 g 14 c 14.5 h 1 d 12.5 i 10 e 9.5 j 14.2 通常来讲，-6dB（VSWR=3）反射系数可以作为测试手机天线反射系数性能好坏的一个临界值。天线的仿真阻抗带宽如图4所示。 图3 S11仿真示意图 Fig.3 S11 simulation diagram 图4 VSWR仿真结果 Fig.4 VSWR 由图3的回波损耗可以看到，天线有四个谐振频点，分别位于0.937 GHz、1.756 GHz、2.163 GHz、

5、2.63 GHz。在高频处，由于谐振频点比较靠近，形成了频段的跨接，从而覆盖了比较宽的频带范围。从图4仿真结果得到，天线电压驻波比在3以下的频率范围为0.858-1.009GHz、1.575-2.8 GHz，完全覆盖了GSM900 MHz（880-960MHz）、DCS1800MHz（1710-1880 MHz）、PCS1900 MHz（1850-1900 MHz）、UMTS2100 MHz （1920-2170 MHz）、LTE2300 MHz（2300-2400 MHz）、LTE2500 MHz（2500-2690 MHz）频段。 （a）930MHz （b）1750 MHz （c）2160

6、 MHz （d）2630 MHz 图5 辐射方向图 Fig.5 The radiation pattern 图5为所设计的单极天线在各个频点处实测的E面（虚线）和H面（实线）辐射方向图。天线在低频0.93GHz处，于H面呈现水平全向辐射，在E面呈类似“8”字双向辐射。在1.75GHz以上谐振点，方向图出现了一些畸变。因为在高频段，地板效应对天线的影响更大，同时贴片表面电流变化相比低频更快；另外天线结构不规则及不对称，从而造成交叉极化，或者出现高次模谐振等，所以方向图表现出稍差结果。虽然天线工作频带覆盖宽，但是从辐射方向图可以看出各个频段之间的辐射特性没有太大的波动，总体上保持稳定。天线在所用的

7、工作频带内，总体上都保持了良好的全向辐射特性，能满足无线通信的需求。 3 结语 本文通过在倒三角形单极子天线底部添加矩形半螺旋支节，设计并制作了一款可满足手机同时工作于2G、3G和4G通信的六频段单极子手机天线。天线结构简单，易于制作。仿真和实测阻抗特性几乎吻合一致，在相应工作点辐射方向图有良好的全向性，工作性能良好，且各段增益在手机的工作频段内都达到了应用需求，因而具有一定的实用价值。仿真结果表明，所设计的天线在GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/LTE2500六个工作频带内回波损S11<-6dB（VSWR<3.0），辐射方向图在水平面

8、内表现出良好的全向特性，各频段增益满足功率需求，具有一定的实际应用价值。 参考文献 1褚庆昕，李健凤，叶亮华.小型宽带低地面影响的平面手机天线设计J.电子学报，2011，39（8）： 1919-1922. 2Shaker M， Abdullah H H， Abd Allah E A. Multi band microstrip slot antenna for mobile base stationC.Antennas and Propagation Society International Symposium （APSURSI）， 2012 IEEE. IEEE， 2012： 1-2. 3

9、罗文波，吴多龙，吴艳杰 等.低侧面四频带 PIFA 手机天线设计J.广东工业大学学报，2013， 30（4）. 4马晓洋，项铁铭.采用寄生单元的三频手机天线设计J.杭州电子科技大学学报，2013，33（5）： 39-41. 5D.C.Chang，H.C. Li. Novel reconfigurable loop antenna for compact mobile phoneC. Proceedings of ISAP， Nagoya， Japan， 2012Letters， 2012， 48（16）. 6Q. H. Zeng， Y. Yao，S.H. Liu， et al. Tetraband small-size printed strip MIMO antenna for mobile handset applicationJ. International Journal