《天线与电波传播》第6章

6.1我国移动通信现状6.2手机天线习题六

我国移动通信虽起步较晚，但移动通信所具有的方便灵活的特点以及人们对个人通信急剧膨胀的需求，使其投入运营以来一直处于飞速发展的阶段，尤其是数字技术的引入和竞争机制的建立，使我国的移动通信运营业自1987年以来以每年平均80%~150%的速度超乎寻常地发展。6.1我国移动通信现状目前我国的移动通信技术已正式进入第3代(3G)。3G能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，支持更高的数据传输速度。我国目前执行TD-SCDMA(TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultiple

Access)、CDMA2000以及WCDMA(WidebandCodeDivisionMultipleAccess)三种标准，频率分配如表6-1-1所示。为了满足未来移动通信发展的需求，3G频率分配后还留有相当

的频率资源作为储备。表6-1-1我国3G移动通信应用的频段6.2.1背景

伴随着移动通信业的高速发展，手机普及率越来越高，手机作为一种沟通工具已经进入了千家万户，成为人们日常生活中不可缺少的一部分。人们也越来越注重手机的通话质量以及手机辐射可能对人体造成的伤害，而天线恰是影响这两个方面的重要因素。

手机天线设计的核心问题就是使天线满足更为苛刻的技术要求，并且超越原有天线型式，满足新的系统要求。在许多系统中，要求优化的参数是小尺寸、宽带、坚固性、易于操作以及降低加工成本。6.2手机天线手机天线设计必须考虑以下的电性能：

(1)输入端的匹配；

(2)带宽；

(3)增益和波束宽度；

(4)工作频率；

(5)分集；

(6)手机辐射对人体的安全性。6.2.2外置式天线

早期受制造工艺的影响，手机只能采用外置天线。这种天线的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单、费用相对低；缺点是天线暴露于机体外易于损坏、天线靠近人体时导致性能变坏、不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害，接收和发送必须使用不同的匹配电路等。

在如图6-2-1所示的坐标系以及图6-2-2给定的尺寸下，图6-2-3为利用Ansoft公司的三维电磁数值模拟仿真软件HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)分析有限手机尺寸

对单极天线辐射特性的影响。

图6-2-1外置式单极天线手机模型的坐标系图6-2-2单极天线手机的几何尺寸图6-2-3手机单极天线方向图(a)垂直平面方向图；(b)水平平面方向图图6-2-3显示，与无线大理想导电地面上的单极天线的方向性相比，考虑手机影响以后的单极天线方向图在水平平面不具有旋转对称性，原因在于单极天线假设置于手机顶部的角点处；另外，由于手机外壳向下延伸，所以垂直平面方向图的波束向下倾斜；xOz平面方向图也由于天线的不对称架设，导致方向图关于z轴不对称，并出现明显的副瓣。

仍然由AnsoftHFSS仿真分析手机单极天线的输入阻抗。图6-2-4表明，当单极天线的直径为3mm，接地孔的直径为3×2.303mm时，在900MHz可获得近似50Ω的输入电阻，

但是由于输入电抗的存在，仍需要相应的匹配网络。图6-2-4手机单极天线的输入阻抗计算值图6-2-5法向模螺旋天线手机示意图如图6-2-5所示，手机外置天线常用的还有法向模螺旋天线。该天线的方向图、极化特性类似于单极天线，但是由于其输入阻抗对频率很敏感，因而具有窄带特性。

由于手机通信过程中人体处于天线的近区场中，手机天线辐射特性明显受到人体的影响，同时由于外置式天线不适合加反射板，所以外置式天线的手机对人体的辐射伤害的研究近年来也受到重视。在图6-2-6所示的外置式单极天线手机与人体几何结构模型中，考虑人体影响下的手机天线的方向图如图6-2-7所示。图6-2-6外置式单极天线手机与人体几何结构模型图6-2-7考虑人体影响的单极手机天线方向图(a)xOz平面方向图；(b)yOz平面方向图；(c)xOy平面方向图6.2.3内置式天线

外置式天线有许多缺点：不能集成到印制电路板或设备外壳上，增加了设备的总尺寸；易于折断和弯曲，需小心维护；天线难于屏蔽导致比吸收率SAR值较高，人体对天线的性能影响较大；外置天线，尤其是螺旋天线难以精确批量生产，需要匹配电路，使成本和损耗都增加，难以迎合手机使用者对手机外形的时尚需求。图6-2-8有限尺寸接地面上的折线天线针对第一种类型，一种办法是应用平面曲折线结构，如图6-2-8所示。

调整相应的天线总长L(或纵向几何长度Lax)、线间间隔e1、水平方向线长e2、介质基板厚度等参数，不仅可以缩短天线的高度，同时还具有多频点的工作特性。为了获得更佳的电性能，折线天线还伴有渐变型等其它改进结构。

为了缩短单极天线的高度，另一种有效的途径是采用平面单极天线，其中KinLuwong等人2003年提出了一种有代表性的设计思路，如图6-2-9所示。图6-2-9平面单极天线结构图(长度单位为mm)图6-2-9所示的平面单极天线的辐射部分为30mm×10mm的矩形贴片，其上的狭缝将矩形片分为较大的外片和较小的内片，由于外片上的电流需沿着狭缝流动，因而增加了电流的流向长度，也就是在不增加高度的前提下，降低了天线的谐振频率。

利用AnsoftHFSS建模仿真计算图6-2-9所示尺寸下的平面单极天线输入端反射系数随工作频率的关系，图6-2-10表示该天线能够应用在多频段的移动通信方面，天线覆盖的频带包括GSM(890~960MHz)、DCS(1710~1880MHz)、PCS(1850~1990MHz)乃至更高。

图6-2-10反射系数随频率的变化关系图6-2-11仿真计算的方向图显示了平面单极天线仍属于弱方向性天线，图6-2-12给出了该天线在各频段的实测增益值，与传统单极天线的方向性相当。图6-2-11平面单极天线的方向图(f=1.8GHz)(a)xOz平面和yOz平面方向图；(b)xOy平面方向图；(c)立体方向图图6-2-12平面单极天线的实测增益倒F天线是从20世纪60年代早期用于导弹的倒L形天线引申而来的。从图6-2-13(a)可以看出，把单极天线相对于地面弯曲就获得了倒L形天线，降低天线高度可以降低天线的谐

振频率，L形天线的短臂在垂直于短臂的平面内全方向辐射，天线的长臂也会辐射一部分能量。而倒F天线是倒L形天线的变型，它在天线上增加了一个短路段以获得输入阻抗的改变，天线因附加特征呈倒F形并因此命名，如图6-2-13(b)所示。手机中线状PIFA的结构如图6-2-14所示。图6-2-13倒L形天线演变成倒F形天线(a)倒L形天线；(b)倒F形天线图6-2-14手机中倒F形天线的基本结构

PIFA是由两端短路的微带天线演变而成的。如图6-2-15所示的是一个两端短路的平板天线，若去掉“短路板1”，保留“短路板2”，就成为普通的PIFA。图6-2-15两端短路平板天线设天线的长度为L，其低次模的波长为λ1，频率为f1，高次模的波长为λ2,频率为f2,当仅有“短路板1”存在时，双频工作时的条件为

由上式可知。f2/f1=3,f1=900MHz，则f2=2700MHz，该频率远大于所需要的1800MHz，因此，仅有“短路板1”的天线不满足手机双频天线的工作要求。

当两个短路板同时存在时，则有下式成立:

田方等人于2003年提出了一种新型双频PIFA天线，如图6-2-16以及图6-2-17所示。

该天线是在普通PIFA天线上开一个槽，然后在槽的两侧各加一块短路板。该PIFA天线结构可看做是两端短路平板天线对折的结果，它们的工作原理是一样的。因此开槽的PIFA天线同样满足双频天线的工作要求，然而其占用的空间却大大减少了。另外，此天线的低剖面性质使得它易于内置并可与手机共形，这使天线不容易损坏而且手机外形更加美观。图6-2-16开槽的PIFA结构以及参数图6-2-17PIFA以及手机外壳针对图6-2-16、图6-2-17设定的参数，利用电磁场数值计算方法仿真得到的天线输入端阻抗以及反射损失的特性由图6-2-18给出。计算结果显示了典型的双频特性，表明了这

种天线非常适合于手机的工作频率。图6-2-18天线的输入端电特性仿真计算结果还表明，当L变大时，低频频率变低；当Lg变大时。高频频率变低。当L固定为52mm，Lg的改变范围为58~66mm时，高频段的反射损失不变，低频段的反射损失最小值基本不变，最小值对应频率改变100MHz左右；当L固定为62mm，Lg的改变范围为48~56mm时，低频段的反射损失不变，高频段的反射损失最小值稍有变化，在-17~-24dB之间，最小值对应频率改变200MHz左右。

图6-2-19为PIFA在如上参数设定条件下，由AnsoftHFSS软件计算的方向特性，结果表明与单极天线的方向性相似。图6-2-19PIFA方向图(f=940MHz)(a)xOz面场强(dB)方向图(f=940MHz);(b)yOz面场强(dB)方向图(f=940MHz);(c)xOy面场强(dB)方向图(f=940MHz);(d)立体方向图(f=940MHz)例如图6-2-20所示的同轴线馈电的缝隙加载矩形微带天线，由于在其辐射边开有对称缝隙，因而可以实现双频工作模式，又因为在非辐射边开有回旋缝隙，增加了电流的流向长度，可以非常有效地降低天线的谐振频率。图6-2-20同轴线馈电的缝隙负载贴片天线示意图戚冬生等人于2003年在借鉴他人成功经验的基础上设计并分析了一种微带天线，如图6-2-21所示。外围总尺寸为W×L，中间凹陷部分为d×s，介质层厚度为h，其介电常数为εr，两个U形缝隙靠近天线的两个辐射边，宽度均为Ws，缝隙的长度为2Lm+Ls，距离贴片上下边界的距离为d1，左右边界的距离为d2，两个U形缝隙关于天线的纵轴对称，微带天线的馈电点在横向轴线上，且离贴片的中心点距离为df。图6-2-21缝隙加载H形双频微带天线在该天线的参数为：W=42mm，L=70mm，Ws=d1=d2=1mm，s=34mm，Ls=38mm、d=21mm，Lm=8mm，df=6.5mm、εr=2.8，h=2mm，地平面尺寸为140mm×140mm，内导体半径为1mm，外导体半径为2.303mm的条件下，由HFSS软件仿真计算其输入阻抗特性如图6-2-22所示。该图表明该天线具有典型的符合移动通信要求的双频特性。图6-2-22缝隙加载H形双频微带天线的输入阻抗随频率的关系图6-2-23为该天线由矢量网络分析仪实测的输入端反射损失S11频率特性。可以看出，该微带天线在双频工作点的带宽还略显不足，这个主要是由于H形微带天线本身的窄带特性造成的,可以采用厚度较大的低介电常数的介质或者采用接地板缝隙耦合馈电的方式来改进。图6-2-23输入端反射损失随频率的关系6.2.4手机天线的发展前景

更先进的移动通信体制面向第三代(3G)移动通信技术。与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供更加丰富多彩的移动多媒体业务，其传输速率更高。3G设计目标是在具有与2G系统的良好兼容性的基础上，提供比2G系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务。

1.智能化的手机天线