（通信与信息系统专业论文）小型、双频移动通信天线的设计与研制.pdf

中文摘要 摘要 随着移动通信技术的迅速发展，系统的小型化、高集成度和高性能化已日益 成为当前研究的热点。而且，随着通讯业务的扩展，移动通信的频段也从以前的 g s m ( 8 8 0 9 6 0 m h z ) 频段扩展到d c s ( 1 7 1 0 1 8 8 0 m h z ) & p c s ( 1 8 5 0 1 9 9 0 m h z ) 频段，以至最近3 g 业务频段( w c d m a 荚标、t d s c d m a 中标、c d m a 2 0 0 0 美标) ，除此之外还有广泛应用的蓝牙、无线局域网频段等等。天线作为无线通 信系统中的重要部件之一，其性能的好坏直接关系到系统的通信质量。移动通信 的飞速发展对手机等无线设备的天线提出了越来越苛刻的要求，如超薄、超小、 多频工作等等，因此，研究小型、多频天线具有很大的实际意义。本文的设计目 标是设计工作于g s m 频段和d c s 频段的双频手机天线和工作于2 4 5 g h z 频段 的手机蓝牙天线。 在小型移动通信系统中，微带天线以其体积小、重量轻、剖面低、成本低、 易实现多频工作等优点而得到了广泛的应用。本文在广泛参考国内外文献的基础 上，对微带天线的小型化、多频段技术进行了全面的归纳和分析，并根据当前移 动电话天线占据空间狭小和双频工作的实际要求，提出了一款三维立体结构的单 极手机天线结构和一款i f a ( i n v e r t e dfa n t e n n a ) 手机天线结构。另外，还根据 蓝牙天线的实际要求提出了一款p i f a ( p l a n n a r i n v e r t e d a n t e n n a ) 手机蓝牙天线 结构。针对这些天线结构，本文进行了理论分析，在此基础上运用h e s s 仿真软 件进行了优化设计，并对设计结果进行了实际加工和无源及有源测试，测试结果 表明所设计天线能够满足客户通话质量的要求与入网测试认证要求。另外，本文 还对整个设计过程进行了总结，给出了手机天线设计的一般方法和步骤，并对手 机天线设计空间的要求、带宽影响因素、周围电磁环境对天线性能的影响等问题 进行了分析，同时提出了减小喇叭听筒影响的处理方案，并对天线的馈电布局 提出了自己的看法。这些对缩短手机天线研发周期、提高设计成功率都具有一定 的参考价值。， 关键词；移动通信：手机内置天线：多频天线：小型化 英文摘要 d e s i g na n df a b r i c a t i o no fm i n i a t u r i a t i o na n dm u l t i b a n d o fm i c r o w a v ea n t e n n af o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t w i t h d e v e l o p m e n to fm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e m i n i a t u r i z a t i o n ，h i 曲i n t e g r a t i o nl e v e la n dh i 曲一p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m sb e c o m e ar e s e a r c h f u lh o ts p o t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb u s i n e s s e s ， t h ec o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c i e sh a v ee x p a n d e dt od c s ( 1 7 1 0 1 8 8 0m h z ) & p c s ( 1 8 5 0 1 9 9 0m h z ) f r e q u e n c yb a n d s ，a n de v e nt h e3 gb u s i n e s sf r e q u e n c yb a n d s ( w c d m a ，t d - s c d m a , c d m a 2 0 0 0 ) f r o mg s m ( 8 8 0 9 6 0m h z ) f r e q u e n c y b a n d s b e s i d e s ，t h eb l u e - t o o t h ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kf r e q u e n c ye t c a r ew i d e l y u s e da n t e n n ai so r eo f t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h ec h a r a c t e ro faa n t e n n aw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es y s t e m sc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yp u t sh i g h e rr e q u e s tt o t e r m i n a la n t e n n a ，s u c ha su l t r a - t h i n , s u p e r - m i n ia n dm u l t i b a n de t e t h e r e f o r e ， r e s e a r c ho nt h em i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i b a n df o ra n t e n n ah a sg r e a ta c t u a lv a l u e s t h e d e s i g n so fh a n d s e ta n t e n n aw o r k e da tg s m & d c sb a n d sa n db l u e - t o o t ha n t e n n a w o r k e da t2 4 5 g h za r et h ee m p h a s i si nt h i sa r t i c l e i nt h ec o m p a c tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , m i c r o s t r i pa n t e n n a sh a v eb e e n w i d e l yu s e df o rt h e i rl o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h ll o wp r o f i l e ， l o wc o s ta n de a s yt ow o r ka tm u l t i b a n de t c b a s e do na b r o a dr e f e r e n c eo fd o m e s t i c a n do v e r s e a sl i t e r a t u r e s ，t h em i c r o s t r i pa n t e n n a s m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l r i b a n d t e c h n i q u e sw e r ec o n c l u d e da n da n a l y z e d b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fm o b i l e t e l e p h o n e f o rs m a l l e r s p a c ea n dd u a l - b a n dw o r k , t h et h e s i sp r o p o s e d a t h r e e - d i m e n s i o n a lm o n o p o l ea n t e n n aa n da ni n v e r t e d fa n t e n n a b a s e do nt h e r e q u i r e m e n t so fb l u e t o o t ha n t e n n a ，ab l u e - t o o t ha n t e n n aw a sa l s op r o p o s e d t h e s e a n t e n n a sa r et h e o r e t i c a la n a l y z e da n da r eo p t i m i z e db yh f s ss i m u l a t o r b a s e do nt h e d e s i g nr e s u l t s ，t h e s ea n t e n n a sa r ep r o c e s s e da n dm e a s u r e d ( i n c l u d ep a s s i v ea n da c t i v e m e a s u r e m e n t s ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w nt h a tt h ea n t e n n ac o m p l e t e l ys a t i s f y t h eu s e r sr e q u i r e m e n t sa n da c c e s sa t t e s t a t i o nr e q u i r e m e n t o t h e r w i s e ，t h i sa r t i c l eh a s c a r r i e do u tas u m m a r yo ne n t i r ed e s i g np r o c e s s ，g i v e nt h ed e s i g na p p r o a c hf o rh a n d s e t 英文摘要 a n t e n n a s ，a n da n a l y s i sh a v eb e e nc a r r i e do u to ns o m ea c t u a lp r o b l e m s ，s u c ha s ， d e s i g n i n gs p a c er e q u e s t , i n f l u e n c i n gf a c t o r o fb a n d w i d t h , i m l m c to fv i c i n i t y e l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n to v e ra n t e n n af u n c t i o n , a tt h es a m et i m e ，t h sa r t i c l e a l s op r o p o s e dt h et r e a t m e n ts c h e m e sf o rr e d u c i n gt h es p e a k e r r e c e i v e re f f e c t sa n d f e e dl a y o u t ，t h e ya r eu s e f u lf o rs h o r t i n gr e s e a r c hp e r i o da n d d e c r e a s i n gr i s k k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；h a n d s e ti n t e r n a la n t e n n a ；m u l t i b a n d a n t e n n a ；m i n i a t u r i z a t i o nd e s i g n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文! 丛丝窒塞丝堕! 垄堡簋缝丝! 遵型：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：舞辅脂勋7 年，月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 日期：煳年f f 月2 t 日 论文作者签名：蒯 导师签名： 亲笔吟 小型、双频移动通信天线的设计与研究 第1 章引言 1 1 小型、多频天线在移动通信中的应用 随着半导体工艺技术的进步与移动无线通信的发展，系统的小型化、高集成 度和高性能化研究已日益成为当前研究的熟点。天线作为无线通信系统中的重要 组成部件之一，其性能的好坏直接关系到系统的通信质量。无线通信技术的飞速 发展对终端天线提出了越来越商的要求，天线的小型化、双频及多频设计在近几 年受到特别的关注 卜5 。 移动通信要求的不断提高使移动通信天线设计中所需要考虑的因素越来越 多。如在移动通信中需要研制小型天线以适应现代技术的要求，要使天线能在很 小的手持基面上工作，而且还能满足各种电性能指标，如在g s m 频段，全向发射 功率( t r p ) 2 7 d b m ，全向接收灵敏度( t i s ) 1 0 2 ( 误码率2 o ) ；在d c s 频段， 全向发射功率( t r p ) 2 5d b m ，全向接收灵敏度( t i s ) 1 0 2 ( 误码率s 2 0 ) ，而 且在自由空间状态下要有好的全向性，即：h 面要圆，同时要求天线辐射效率在 4 5 左右，驻波比2 ；1 ，对于个别频段，如p h s ，根据实际的场强测量经验要求 效率6 5 ，在此状态下才能基本保证通话切换、弱场问题，同时在手握的状态下要 求驻波比1 5 ：1 。而且，移动系统的小型化还给天线设计带来以下困难：1 天线 周围电磁环境复杂；2 空间、面积不足；3 由于通信系统外围金属装饰件所引起 的寄生辐射使天线的方向性变差；4 天线交叉极化严重等等。 近年来，国内外众多学者针对上述问题进行了广泛研究。在解决上述问题的 过程中，以微带天线为主的平面天线逐渐得到人们的广泛关注，获得了全方位的 开发。平面天线的研究主要集中在小型化和宽频带两个方面，同时还有双( 多) 频段、双极化、圆极化、分集等方向。本文工作的重点主要集中在低剖面的手机 内置式天线小型化和双( 多) 频段这两个方面。 1 2 移动通信中小型、多频天线的研究现状 目前，在微带天线中实现天线小型化的方法主要有 6 - 1 1 第1 章引言 1 采用具有慢波特性e b g 结构 已知电磁波在传输系统中传播时的传播常数由下式确定 芦= 国历 ( 1 1 ) 由式( 1 1 ) 可知，通过人为改变传输系统的分布参数l 和c ，可使原传输系统相 对电长度变大，对应于在较小空间内实现天线结构，做到天线小型化。除了广泛 应用的e b g 结构，基于相同设计理念，同样可以根据天线电流分布的特点，在电 流相对集中的馈电点、接地点附近通过引入缝隙、开槽等方法，人为地引入耦合 电感、电容，同样可以取得很好的慢波效应。 ， 2 提高介质的介电常数 该法是实现天线小型化的常用手段。已知微带天线的谐振频率近似由以下公 式确定 厂兰_ 1 2 ；( 1 2 ) 。 2 三占， 由上式可知在天线谐振频率一定的情况下，提高介质基片的介电常数可使天线尺 寸减小。但同时，由于高介电常数的应用，天线与地所形成的谐振腔q 值过高， 使得天线带宽变窄，辐射效率降低，同时还可能引起表面波的辐射损耗。 3 引用短路片或短路针 在传统的似谐振天线零电位处引入短路片或短路探针可使天线谐振长度缩 小为原来的一半。微带贴片天线的基本谐振模式的场分布存在一电壁，用一金属 片代替，可以去掉微带贴片的一部分，从而天线可以实现小型化。 4 延长电流路径 延长电流路径也是一种有效的方法，+ 如螺旋单极天线，通过天线之间的耦 合作用使天线谐振频率降低。对于微带天线或p i f a ( p l a n n a ri n v e r t e d a n t e n n a ) 天 线，延长电流路径的方法有弯折、贴片开槽、贴片加载缝隙等。对于手机等通信 设备，在原本天线空间不足的情况下，可以通过在机壳侧面添加弯折等方法增加 天线的有效辐射面积，做到天线与机壳共形，使得手机等通信设备超薄。 上述天线小型化的每一种方法都有二定的局限性，如提高介质的介电常数将 容易激励起表面波，使得天线的效率降低，增益降低；高的介电常数会使天线的 2 小型、双频移动通信天线的设计与研究 带宽变窄；采用短路片或短路探针的方法使得天线的交叉极化恶化；延长电流路 径的方法使得天线的加工比较复杂，有时也会带来交叉极化的问题。 目前，在通信系统中，为了扩大系统容量或者实现多模通信，实际的通信系 统往往工作在两( 多) 个频段上，在安装多付天线不合适的情况下，双( 多) 频 天线的使用就非常重要了。对于地面移动通信系统中常用的微带天线而言，实现 双( 多) 频的主要方法有：模式正交、多贴片和电抗加载。模式正交多用于矩形 贴片中实现双频，该方法利用贴片在两个正交方向上不同的尺寸产生两个正交的 ； 模式，t m 。和t m 此时，两个频率的比值等于矩形两个边长之比；多贴片的结 构产生双( 多) 频的原理主要是运用多个辐射单元，每个辐射单元上均具有较强 的电流分布，在其所对应的频率处谐振，在某一频段工作时一般只有其中一个贴 片起主导作用：通过在一个简单形状的贴片上引入一些电抗性的负载，会改变原 先贴片上的电流分布，从而使得贴片表现出和原来不一样的特性，贴片原先的谐 振模式得到扰动，从而产生双( 多) 频的效果，电抗加载采用的具体方法有：短 截片，凹槽、电容、短路针、缝隙、贴片环等。， 在设计小型、多频移动通信天线的过程中面临的主要问题是带宽问题 1 z ， 如手机内置式天线要求频段有：g s m & d c s & p c s ，甚至更多频段的综合。针对目 前手机内置天线的空间( 大约为( 5 0 0 - - - 7 5 0 ) r a m * ( 6 5 8 ) m ) ，展宽天线带宽的主要 方法有：1 采用寄生单元；2 利用共馈点的多模式；3 端接负载；4 提高天线 的有效高度；5 减小天线衬底的介电常数等等。 另外，对于目前的小型化移动天线的设计还没有成熟的、可以具体应用的软 件帮助实现，主要是因为天线实际工作的电磁环境比较复杂，很难将对天线有影 响的各个因素都考虑进去，如：移动设备外壳以及p c b 板的布板，包括p c b 板顶 层地的切割，板上器件的布局，天线下方和周围的喇叭、听筒、摄像头等复杂因 素的影响，这些影响因素很难在仿真软件中充分考虑到。需要反复多次调试才能 达到设计要求：在双( 多) 频设计中，天线的小型化的研究仍然有待深入，尤其 在目前的移动通信终端设备中，要求的是双( 多) 频的小型化天线；天线的性能 和整机特性息息相关，移动通信设备主板的e m c 对天线的工作状态亦有明显的影 响，如在测试天线的发射功率、接收灵敏度的时候，经常发生功率达到通信设备 的认证标准，然而接收灵敏度却达不到要求，这主要是通信设备的主板射频模块 第1 章引言 屏蔽问题的频差，或是天线在工作状态下射频模块引起的干扰，或是天线的馈点 与p c b 下层地之间的强烈耦合影响天线的工作状态所致。目前商用的软件z e l a n g 、 x f d t d 、h f s s 、c s t 等软件还不能真正意义上对建模复杂的天线进行综合考虑， 只能提供简单的设计依据。所有这些实际设计过程中遇到的问题对天线的研制提 出了严峻的挑战，同时也提供了本课题的研究方向。 1 3 本文的研究目的与创新成果 从上述综述可见，设计、研制小型、多频移动通信天线具有非常大的实际应 用价值。本文的研究课题是基于上海某通信公司的科研项目而提出的，具体研究 内容就是提出小型、多频移动通信天线的设计方法。为此，本文首先研究了当前 移动通信系统中小型、多频天线的一般设计方法，综合各种方法的优缺点，具体 提出了适合双频手机应用的单极和i f a ( i n v e r t e d f a n t e n n a ) 天线结构和适用于蓝 牙应用的p i f a ( p l a n n a r i n v e r t e d a n t e n n a ) 内置式天线结构，并利用天线的基本理 论对这些天线结构进行了理论分析，提出了设计方法，给出了初步的设计参数， 然后，又借助于电磁仿真软件进一步优化，得到满足各种设计指标要求的设计参 数。利用这些设计参数在上海某通信公司对天线进行了实际的加工，并根据测试 结果对结构参数进行进一步的调整，最后得到满足各项技术指标的天线实物，其 中所设计的单极天线已成功应用于上海某手机设计公司的f 2 0 0 手机中，在微波暗 室进行的无源测试( 驻波比、增益、辐射效率等的测试) 和有源测试( t r p 、t i s 等的测试) 结果表明天线的各项性能指标均满足要求。 ， 最后，本文还根据实际设计过程的体会，总结出了主板版面设计注意事项， 给出手机内置天线的设计方法和步骤，这些方法和步骤对缩短手机研发周期、提 高设计成功率均具有一定的参考价值。 本论文主要包括以下内容： ， 第1 章，作为绪论，介绍了论文的选题背景和研究意义，讨论了小型、多 频微带天线的发展现状，列出了本论文的主要工作和内容安排。 第2 章简单介绍了微带天线的基本理论，包括微带天线的辐射机理和理 4 小型、双频移动通信天线的设计与研究 第3 章 第4 章 第5 章 结论 论分析方法，其中详细介绍了空腔模型理论和矩量法，并简单介 绍了天线设计仿真软件a n s o f l s s 。 较为详细的介绍了移动通信中实现小型化、多频带的各种方法， 为天线的设计打下了理论基础。 介绍了论文所涉及到的天线制作工艺与测试系统，包括矢量网络 分析仪和微波暗室测试系统。 对手机多频天线设计中将要遇到的问题进行了分析，给出了解决 方案，并在充分考虑这些因素影响的前提下，具体设计、研制了 两款双频手机天线和一款蓝牙天线，给出了天线的设计结构、仿 真结果和实测数据，并进行了分析。 对全文加以总结，提出了有待进一步研究和解决的几个问题。 5 第2 章微带天线理论 2 1 引言 第2 章微带天线理论 天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后， 进而得出其方向图，增益和输入阻抗等特性指标。目前已经提出了很多方法对微 带天线进行分析，常见的有传输线模型理论，空腔模型理论等，这些分析方法比 较简单，但是精度不够。比较严格的而计算也比较复杂的是积分方程法即全波理 论，而对于复杂的微带天线结构一般都是利用数值分析。本文需要用到空腔模型 理论和矩量法，本章就对这两种方法进行简单的介绍。 2 2 空腔模型理论 空腔模型理论是在微带谐振腔分析的基础上发展起来的。实际上，谐振式微 带天线的形状与微带谐振腔并无显著区别。因此，借助于谐振腔理论是很自然的。 它的一般方法是，规定腔的边界条件，找出腔中的一个主模，从而计算出谐振频 率、品质因数和输入阻抗等。把这种方法移植到微带中来，称为单模理论。作为 此法的改进，发展了多模理论，它把腔内场用无限正交模表示，因而就能较准确 的代表腔内场。空腔模型已成功用于精确计算厚度不超过介质中波长的百分之几 的微带天线特性。下面介绍一下空腔模型理论 1 3 1 7 。 图2 1 所示微带贴片天线，微带贴片和接地板之间的盒形区域可以看作谐振 腔：它的上下壁为微带贴片的面积相同的接地板，周围的柱形面为侧壁。 6 小型、双频移动通信天线的设计与研制 图2 1 空腔模型几何关系 f i g 2 1g e o m e t r yo f c a v i t y m o d e l 在分析腔内场时，基本空腔模型理论作如下假设： ( 1 ) 电场只有历分量，并且丘不随z 而变化。磁场只有总。和风分量，且假设厦| _ 铂 即腔内只存在对z 的t m 型场； ( 2 ) 内场不随：坐标变化；四周边缘处电流无法向分量，即边缘处切向此磁场为零， 赦空腔四周可视为上、下为电壁，四周为磁壁的腔体。 上述基本假设若用更严密的理论来检验，不难发现其近似之处。因为微带贴 片内壁的电流可通过周界流向外壁面，因此在周界处内壁面法向电流严格说不是 零，只是在耿磙条件下接近零。由上述讨论可以看出基本空腔模型理论应用上的 限制，脒哦的条件时很重要的。 当谐振腔内或周界上激励源以时，则腔内电场尾的波动方程为： ( v2 + k2 ) e 。= j o 2 ，： ( 2 2 - 1 ) 现将丘展开为正交模无穷级数，即令 e ，= 爿。v 。 ( 2 - 2 - 2 ) 其中甲。满足齐次波动方程及腔的边界条件，即有 ( v 2 + 磕) l 壬，棚= 0 + ( 2 2 - 3 ) a 甲。，a 五= 0 ( 2 2 - 4 ) 利用格林第二恒等式 7 第2 章微带天线理论 缸吲垂一妒2 甲砂= 工( 甲芸一中拳蕊( 2 2 - 5 ) 令甲。= i 壬，oi 眨v 为腔的体积，而s 为其包面，h 为s 的外法向单位矢量。将 式( 2 i 1 ) 、式( 2 1 - 3 ) 和式( 2 1 - 4 ) 及边界条件代a ，可知式( 2 1 - 5 ) 右端为零，得 4 。= 鲰丢老葺$ 。眨z 删 式中 = f ，。甲二d s ( 2 2 7 ) = f 甲。甲二d s ( 2 2 8 ) 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 ，i - 2 ) 得 耻砌。；莓芒毒专( 2 2 - 9 ) 式中已代入c o , u o = k o r o q o = 匈户1 2 0 兀，岛= 2 兀2 0 。焉m 。是谐振模得截止波长， 为实数，由天线尺寸得模序号m ，n 决定。当工作频率选得使k 很近于岛。时，分母 上得矿矿。很小而使第( m 神项振幅变得很大，内场基本上就由这个项决定。这时 我们就说该天线对1 m 。模谐振。其次，该式也表明，对任一甲。分布，不同的 以位置( 激励条件) 将导致不同得激励振幅( 展开系数) ，从而将得出不同的内场。 对规则形状得贴片，一般可利用分离变量法解出t 。及相应的岛。，对于矩形 贴片： 。 甲。= c s 等c 。8 丁n a y ( 2 2 1 0 ) j i 删 = 鼎氡审 ( 2 2 - 1 1 ) 和接地板上同轴开口处的小磁流环。后者很小，可以忽略；前者可等效为中心在化 ”，工向宽为西的电流片。设总电流为o ，即有： 以：j 鲁，矿d 2 0 计算的微带天线的频带宽度也不 同。为了得到较宽的频带和较高的增益，一般采用较低的和较大的h 。而天线的 小型化有要求天线采用较大的f ，h 的增大不但是天线的尺寸增大而且破坏了微带 天线的低剖面特性。所以根据实际应用的具体要求该天线选用了空气介质。 微带天线常见的馈电方式有：微带线馈电、同轴馈电和电磁耦合型馈电。同 轴线馈电的馈电点可以选在贴片内任何所需的位置，便于实现阻抗匹配，但其缺 点是结构上不便于集成。微带线馈电制作简单便于和电路实现集成，此外，我们 还可以通过在主板上添加匹配元件的方法起到阻抗变换器的作用。电磁耦合型馈 电是贴近无接触的馈电，可以利用馈线本身，也可以通过一个口径( 缝隙) 来形 成馈线与天线之间的电磁耦合，因此也可以称为贴近式馈电，这对于多层阵中层 问连接问题是一中有效的解决方法。基于上面的分析本该天线最终采用了微带线 馈电方式。 本文所提出的三维立体单极天线结构如图5 9 ( a ) 所示。其有两个辐射臂组成， 分别产生g s m s d d c s 两个谐振频率，并采用曲流技术将9 0 0 姗z 辐射臂弯折的方法来 实现天线的小型化。此外，为了进一步减小天线所占的空间，在天线的侧面存在 着辐射贴片，因为这种天线贴片部分不是与导电地面平行，通常被称为f o l d e d s t u b 4 3 。p c b 的上半部分的1 0 m m 空间的p c b 的地被蚀空。其中天线的馈线通 过5 0 欧姆的微带线馈电，然后天线通过触角与主板上的馈电点进行连接。本文所 设计的天线空间结构体积为1 0 3 3 6 m m ，中间为空气介质。经h f s s 仿真软件优化 得具体几何尺寸如图5 9 ( b ) 所示，其中微带线走线宽、长分别为： 4 1 第5 章小型化内置天线的设计与测试 = 2 m m ，w 2 5 l2 m m ，w 3 2 2 m m ，厶2 1 9 m m ，l u = 2 1 m m ，厶= 9 m m 。图中天线上的 小圆孔是结构上为了用热熔柱将其固定在天线支架上而添加的。 图5 9 三维立体结构单极天线结构图 f i g 5 9s t r u c t u r eo f m o n o p o l ea n t e n n a 该天线回波损耗随频率的变化曲线如图5 1 0 所示。 一、弋 、i 7 ，v 厂 “ 一 卜 j 一 i： 一 t 图5 1 0 天线的回波损耗 f i g 5 1 0r e t u r nl o s so f a n t e n n a 小型、双频移动通信天线的设计与研制 由图可见，该天线的中t x 【作频率大约在9 1 0 m h z 和1 8 0 0 m h z ，基本满足设 ； 计要求。1 5 3 2 天线的无源测试及右源测试 。 。 根据仿真所得天线的设计结果，在上海某通信公司对天线进行了实际加工，天 ， ， 线实物如图5 ，l l a ) 所示：。由于对天线实物的测试时需要在手机主板上焊接同轴线 和s m a 头这样会对手机外壳有一定的破坏，所以在天线的加工过程中需要注意的 口 问题是要尽量保证手机外壳的完整性，做到尽可能少的破坏天线周围的电磁环境。 ， 利用矢量网络分析仪( e 5 0 7 1 b ) 对该天线进行了实际测量，所测得的该天线的回 一 一。， “ ， 波损耗随频率的变化曲线如图5 1 1 ( b ) 。从回波损耗曲线可见，天线的两个中心工 作频率分别为o 8 8 g l - i z 和1 8 g h z 。与仿真结果接近，但由于机壳、电池、显示屏 一 。 等器件的影响，、使测试结果在1 8 g 王i z 频率点处的谐振深度变浅，不过带宽基本没 受到影响。 ( a ) 手机天线实物 第5 章小型化内置天线的设计与测试 ( b ) 天线回波损耗随频率变化曲线 图5 1 1 手机天线实物及其回波损耗测试结果 f i g 5 1 1t h e h d s e t a n d r e s u l t o f r 嘲m n l 曲警 另外：本享还在微波眵主中芦哮季线的声哩特性孝行了测试i 图，5 z ：净出了 天线在e 1 面、，e 2 面、h 面( 其定义参见附录 的方向性图以及无源效率的测试 结果。由于关线周目拯属象件的存毛。使夫线荫全面性蔓鲥了影响：羹中对高频 的影响是比较大的。表5 ，2 为在3 d 暗室中对天线的效率进行测试的具体数据。由 表可见，? 单极天线的效率在如左右二7 天线能满足实际应用的要求。 小型、双频移动通信天线的设计与研制 笙! 兰生：型垡堕墨丕堡堕望生量型堕 图5 。1 2e 1 、e 2 、h 面方向性图及效率的测试结果 f i g 5 1 2 a n t e r a m p a t t e r n o f e l 、e 2 、h p l a n e 小型、双频移动通信天线的设计与研制 ，表5 2 微波暗室天线效率测试数据 t a b5 2r e s u l to f e f f i c i e n c yi nc h a m b e r 波段g s m ( m h z ) d c s ( m h z ) 8 8 09 1 59 3 5 9 6 01 7 1 01 7 5 0 1 8 4 01 8 8 0 效率 4 1 25 8 65 9 34 3 55 1 45 7 45 8 15 3 2 ( ) 图5 ，1 3 为天线安装在手机上后，在安捷伦8 9 6 0 模拟基站的情况下，微波暗室 内进行的有源测试结果。这里我们给出了全向发射功率( o ) 以及全向发射灵 敏度( t i s ) 的测试结果。对于g s m 、d c s 频段入网要求是：g s m 的t r p 不小于 2 7 d b m ，t i s 在1 0 2 d b m 以下；d c s 的t r p 不小于2 5d b m ，t i s 在1 0 2d b m 以下。 从表5 3 的具体数据可以看出，该款天线的性能满足c t i a 的认证要求。 ( a ) g s m t r p 4 7 第5 章小型化内置天线的设计与测试 小型、双频移动通信天线的设计与研制 ( d ) d c st i s 图5 1 33 d 暗室有源测试结果 f i g 5 1 33 dt e s t r e s u l ti nc h a m b e r 表5 3t r p & t i s 具体数据 1 曲53r e s u l to ft 砌 1 1 s g s md c s 信道 9 7 53 71 2 45 1 26 9 88 8 5 t r p ( d b m ) 2 702 7 42 852 5l2 6 82 6 6 t i s ( d b m ) 1 0 8 41 0 7 ，91 0 7 61 0 4 1，1 0 2 5 1 0 2 9 5 4 手机i f a 天线的设计与测试 5 ，4 1 夭线的设计 由于目前手机超薄、超小成为主流，天线的空间越来越受到限制，天线的高 度不能满足p i f a 天线的要求( 6 5 8 r a m ) ，而单极天线又比较容易收到天线附近 器件的影响，现在很多项目经常有几套机壳共用一块主板和天线的要求，所以单 极天线也有其较为不利的一面。本节设计了一款i f a 天线，它既不像p i f a 那样对 第5 章小型化内置天线的设计与测试 面积和高度有比较严格的要求又保证了它能适用于几套不同的机壳；根据手机设 计的要求，其给予的面积为3 7 1 0 m ，天线平面距离主板参考地1 0 m m ，结构如图 5 1 4 。 图51 4 i f a 天线结构图 f i g51 4s t r u c t u r eo f l f ar r l t c i l n 8 根据天线设计的频段和性能要求，运用h f s s 仿真软件经过多次优化最终得天 线的结构尺寸分别为：嵋= 1 0 r a m ，厶= 3 7 r a m ，w 2 = 5 r a m ，乞2 1 0 m m ，w 3 = g r a m ， 厶5 1 7 5 m m ，w 4 = 2 m m ，w 5 = 2 r a m ，l 5 = 2 6 m m ，厶= 3 m m ，, 7 = 4 r a m 。图5 1 5 给出仿 真所得天线回波损耗随频率的变化曲线。 小型、双频移动通信天线的设计与研制 _ ? 、 ：t z 又：j 二 一i 3 一一弋j _ ! ：j -+ 一： j ；x ：1 下一一r ￥_ - 。 i l1 ： 一：印、 卜 _ 暑一7 复i “ 一_ t j _ n _ _ ，l j ，h0 一卜 1 j 箬 ? r 1 ： 。 j ；矗i ： i ， + j 一” ，h 卜 l ；， 一 1 一 ：书卜 叶。o 砷 + jt 。1 ， o4 一 一； ， 。j 。：1 扛r 一 一r e 料 一1 “jt ，1 一i ，+ y ： ，m i b 埘 图5 1 51 f a 天线回波损耗随频率变化曲线 f i g ；5 1 5r e l a u - nl o s so f i f a a n t d l l m 从图5 1 5 豹仿真结果可以看出高频和低频的中心频率分别在9 0 0 m h z 和 1 8 0 0 m h z ，5 d b 回波损耗带宽分别为1 1 1 和8 3 ，谐振深度也能满足手机应 用的需要。 5 4 2 天线的测试 根据仿真结果加工的i f a 天线如图5 1 6 ( a ) 所示，图5 1 6 ( b ) 为天线回波损耗的 测试结果。 ( a ) i f a 天线实物 “ 譬jr三=ttrl董t- 第5 章小型化内置天线的设计与测试 ( b ) 回波损耗测试结果 图5 1 6 手机天线实物回波损耗的测试结果 f i g5 1 6r c m ml o s so f a n t e n n a 图5 1 7 为天线的方向图以及效率的测试结果，表5 4 给出天线效率的测试数 据。由测试结果可见，天线的低频谐振频率略微偏低，g s m 频段的效率在4 0 左 右，d c s 频段的效率在5 0 以上，完全符合手机设计的要求。下面我们对手机进 行有源测试，来考察它是否满足要求。 小型、双频移动通信天线的设计与研制 第5 章小型化内置天线的设计与测试 图5 1 7e l 、e 2 、h 面及效率测试结果 f i g51 7a n t e n n ap a t t c mo f e l 、e 2 、hp l a n e 小型、双频移动通信天线的设计与研制 表5 4 微波暗室天线效率测试具体数据 t a b ，5 4t e s tr e s u l to f a a l t c n n ai nc h a m b e r 波段 g s m ( m a z )d c s ( m h z ) 8 8 09 1 59 3 5 9 6 01 7 1 0 1 7 5 0 1 8 4 01 8 8 0 效率 4 0 1 24 2 o4 0 03 2 7 45 2 0 65 3 6 85 3 6 05 1 9 3 ( ) 图5 1 8 、表5 5 给出了天线有源测试的结果和具体数据。可以看出，不管是 t r p 、t i s 还是平坦度都是相当不错的，- 完全满足手机的设计要求。 ( a ) g s m t r p 5 5 第5 章小型化内置天线的设计与测试 小型、双频移动通信天线的设计与研制 ( d ) d c s t i s 图5 ，1 83 d 暗室有源测试结果 f i g5 1 83 dt e s t r e s u l ti nc h a m b e r 表5 5 n 啦& t 1 s 具体数据 t 曲55l 毛e s u l t o f 愀1 1 s 信道 g s md c s 9 7 53 71 2 45 1 26 9 88 8 5 t i 心( d b m ) 3 0 13 0 - 43 0 72 6 02 7 52 7 1 t i s ( d b m ) 1 0 7 0一1 0 6l 。- 1 0 6 8一1 0 7 91 0 7 o1 0 6 0 5 5 手机蓝牙天线的设计与测试 5 5 1 蓝牙天线的设计 当前，b l u e t o o t h 、h o m e r f 、h i p e r l a n 等无线个域网( w p a n ) 技术和 i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 等无线局域网( w l a n ) 技术发展势头迅猛，其中 第5 章小型化内置天线的设计与测试 i e e e 8 0 2 1 t a 和h j p e r l a n 选用5 2 g g z 韵i s i l 频段，4 而b l u 矾o o t h ：1h o m e l t f 和 ， i e e e 8 0 2 1 l b 则选用2 4 5 6 h z 的i s m 频段。它们都对天线提出了小型化、低成本 易于匹配等要求，从而各种天线层出不穷。 本节的目的是设计一款工作在2 4 5 g h z 频段的手机蓝牙天线。当前，手机蓝 牙天线主要有陶瓷天线和微带天线两种形式。陶瓷天线中陶瓷的介电常数通常在 6 - - 1 6 之间，其性能与陶瓷的烧结工艺密不可分，工艺的好坏决定了成品率、价格。 由于陶瓷介质的储能特性，使天线的q 值太高，相应的天线增益、辐射效率都较 低，因此，微带天线在该方面有更广泛的应用。 l。 本文采用微带天线结构构成手机蓝牙天线。为了避免蓝牙天线与主天线间的+ 相互影响，本文设计的手机蓝牙天线只利用了支架的侧面空间进行设计。根据所 给空间的特点。本文采用p i f a 型微带天线结构进行设计，其结构如图5 1 9 所示。 针对这一结构，本文经过计算给出了初步的结构尺寸，在此基础上，通过