手机天线（共4篇）
手机天线 篇1
前言
与发达国家相比, 我国的无线通讯技术虽然起步较晚, 但发展十分迅速。目前, 3G网络覆盖范围空前扩大, 网络服务的质量不断提高。而随着LTE技术的研发成功, 以及WIMAX标准的兴起, 无线通信技术的4G时代正悄然来临。在这一趋势下, 智能手机作为互联网终端也取得了迅猛的发展势头。在手机终端结构当中, 天线是极为关键的部分之一, 对手机的无线传输能力起着决定性作用。
一、LTE手机天线的特性参量
1.1天线的S参量和VSWR。在设计天线时, 在其输入阻抗及馈线阻抗之间, 无法做到完全匹配, 在传输线上, 部分信号可能出现反射现象, 形成反射波, 而传输线上已存在入射波, 二者发生叠加, 就形成驻波;相邻电压的上限值和下限值之比, 被称作电压驻波比, 即VSWR, 通过对VSWR的计算, 可得知天线与传输馈线的匹配程度, VSWR的值越小, 表示匹配程度越高, 如果VSWR=1, 则表示当前已完全匹配。
1.2天线的效率。通过对天线效率进行计算, 可对能量转换的程度进行掌握, 是其中的一项重要参数, 在理论定义上, 天线效率是指天线辐射功率与输入功率之间的比值, 但因为并未在理想状态下进行, 因而会出现功率的损耗[1]。因此, 在天线设计过程中, 首要工作就是最大程度地保证天线效率, 通过效率的提高, 使辐射能力达到最为理想的状态。
1.3天线的方向性及增益。天线的方向性, 是指在辐射功率恒定的条件下, 在其中最大辐射方向上, 其辐射强度与理想点源天线, 在相同辐射方向上的辐射强度比值。通过这一比值, 可得到与其他辐射方向相比, 天线在所期望方向上, 所体现出辐射集中程度。天线的增益与方向性关联紧密, 也可用来反映天线的辐射能力。如果当前输入功率不变, 在天线最大的辐射方向, 可达到的辐射能力与相同方向理想点源天线相比, 所得到的强度比值, 这一比值即为天线的增益。在实际情况下, 由于天线无法将所有能量向外辐射, 因而其增益值应小于方向性, 通过对天线效率的掌握, 也可间接得知其增益, 进而得知方向性系数。三者之间有着紧密的联系。
二、LTE手机天线小型化、多频化、宽带化技术
2.1弯曲折叠辐射枝节。为了实现手机天线的小型化应用, 可采用弯曲折叠辐射枝节技术。目前, 处于发展前沿的智能手机均属于超薄手机, 对其厚度有着严格控制, 一般应不超过10mm, 因而手机内部空间极小。通过辐射枝节的弯曲, 可大大提高手机内部空间的利用率, 提高有效辐射面积, 获得更大的天线辐射效率、与此同时, 经过多次弯折, 出现分支后, 金属条带将出现电容耦合, 形成多个谐振频率, 这样就改变了其原有的性能。根据这一性能, 如果进行深入开发并合理运用, 在多频化及宽带化发展趋势上, 能够产生积极的影响。
2.2添加寄生单元。在手机结构中另外添加辐射单元, 如金属条、贴片等, 可通过新的辐射单元, 产生新的谐振模, 这样就产生了新的谐振点, 从而使天线覆盖范围扩大, 同时拓展了频率带宽。寄生单元的添加, 具体可分为两种解决方案, 即共面方案及层叠方案。第一, 共面方案。在同一平面位置, 同时设置主体天线及寄生单元, 一般情况下, 可利用耦合馈电形式, 这样可对主体天线发生作用。单个贴片被分成两部分, 一部分直接馈电, 另一部分则利用耦合馈电, 从而发挥作用。这样一来, 天线规格可维持原状, 而频率带宽则显著提高;第二, 层叠方案。在不同平面位置, 分别设置主体天线及寄生单元, 使用一定的介质将二者分割, 增加天线高度。同样利用了耦合馈电的形式, 从而对主体天线产生作用。经过研究发现, 在天线体积相同的条件下, 如果采用层叠方案, 频率带宽的提高幅度明显更大, 优于共面方案。
结论
本文通过对应用于4G通信的LTE手机天线进行深入的探究和分析, 指出在4G通信技术应用范围不断扩大的背景下, LTE天线手机有着良好的发展前景, 而天线的小型化技术正是其中的关键技术之一。本文对LTE手机天线的特性参量进行了较为详尽的介绍和说明, 并在此基础上, 对LTE手机天线小型化、多频化、宽带化技术展开了探讨和阐述。
参考文献
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一种共面结构的4G手机天线研究 篇2
关键词：4G手机,接地板共面,多频,宽带天线
随着新一代移动通信的快速发展, 以及LTE标准的兴起, 移动通信系统正向着4G时代稳步迈进。TD-LTE是我国自主创新的4G技术, 与欧洲主导的FDD-LTE技术一起被国际电信联盟确立为两大国际4G标准.我国已将2500-2690MHz共190MHz的频谱资源全部划分给TD-LTE, 英国等部分运营商使用2.6GHz和3.5/3.6 GHz频段布署LTE网络, 美国、加拿大、澳大利亚、智利等国家已批准700MHz频段用于LTE, 我国也已将700MHz和3.5GHz频段列入未来规划。如此多的频段, 使得传统的手机天线已经不能满足4G无线通信需求.如今, 多频、宽频带和低剖面已经成为4G手机天线设计的热点。近期, 学者们已经提出了各种宽带手机天线, 例如PIFA天线[1,2], 印刷环形天线[3], 印刷单极子天线[4,5,6,7], 缝隙天线[8], 可重构天线[9,10]。
本文提出一种适用于4G手机的平面天线。该天线采用接地板共面结构, 能够节约空间, 易于实现手机的小型化, 通过多枝节连接地板结构来扩展带宽, 从而实现宽频特性, 利用接地枝节耦合, 形成分布式电感, 调节阻抗匹配, 改善低频和高频段的性能.通过对天线结构进行仿真设计, 获得天线最终优化结构参数, 并完成加工与测试。研究表明, 该天线可以产生0.75GHz、2.6GHz和3.5GHz三个谐振频率点, 工作频段为0.69GHz~0.82GHz和2.49GHz~4.06GHz, 很好地覆盖了4G无线通信的主要频段, 可以满足4G手机的工作需求。
1天线设计
1.1天线结构设计
本文提出的接地板共面结构的4G手机天线结构如图1所示。采用介电常数为4.4的FR4介质材料作基体, 大小为120mm×60mm, 厚度为1.6mm, A点为馈电点, B点为短路点。与馈电点相连的是一个由矩形减去一个小矩形而成的辐射振子, 与短路点相连的是一段迂回枝节, 迂回枝节的右侧由三段枝节与接地板相连.接地板的左上角设有接地迂回枝节, 形成分布电感, 用于调节阻抗匹配。
1.2天线结构优化
图2为天线分别在左侧无接地枝节 (形状1) 、只有一段接地枝节 (形状2) 和带有接地迂回枝节 (形状3) 时的仿真曲线图, 由图可知, 当天线没有接地枝节时, 低频段的谐振频率点约为1.13GHz, 中频段有多个谐振点, 6d B阻抗带宽为2.49GHz~3.38GHz.当天线只有一段接地枝节时, 低频段的谐振点为0.77GHz, 该谐振点处的回波损耗为-10.4d B, 中频段的谐振点为2.61GHz, 高频段的谐振点为3.62GHz, 6d B阻抗带宽为2.51GHz~4.07GHz。当天线带有接地迂回枝节时, 低频段的谐振点为0.75GHz, 该谐振点处的回波损耗为-14.2d B, 中频段的谐振点为2.60GHz, 高频段的谐振点为3.49GHz, 6d B阻抗带宽能够覆盖2.49GHz~4.06GHz.接地迂回枝节的长度L2对天线性能的影响如图3所示。由图可知, 当L2的长度依次为12.5mm、13.5mm、14.5mm时, 高频段的谐振点依次为3.52GHz、3.49GHz、3.41GHz, 而低频段和中频段的变化不明显。对比可知, 接地迂回枝节能够很好地调节阻抗匹配, 改善低频和高频段的性能, 使天线满足4G无线通信需求。
右侧接地枝节对天线性能的影响如图4所示。图4 (a) 可见, 当天线右侧没有接地枝节或只有上端接地枝节时 (形状4和形状5) , 6d B阻抗带宽都比较窄, 低频段和中频段的谐振点都不处于4G无线通信频段。当天线右侧只有中间接地枝节时 (形状6) , 低频段谐振点为0.72GHz, 6d B阻抗带宽能够覆盖0.67GHz~0.78GHz, 中频段和高频段的谐振点分别为2.59GHz和3.37GHz, 6d B阻抗带宽能够覆2.49GHz~3.94GHz.当天线右侧只有下端接地枝节时 (形状7) , 低频段谐振点为0.73GHz, 6d B阻抗带宽能够覆盖0.68GHz~0.82GHz, 中频段和高频段的谐振点分别为2.75GHz和3.58GHz, 6d B阻抗带宽能够覆盖2.47GHz~3.97GHz.图4 (b) 表明当天线右侧有两段接地枝节时 (形状8、形状9、形状10) , 低频段谐振点均在0.75GHz附近, 6d B阻抗带宽均为100MHz左右, 中频段谐振点均在2.6GHz附近, 高频段谐振点均在3.4GHz附近, 6d B阻抗带宽均能基本覆盖4G无线通信主要频段.研究结果表明天线右侧的接地枝节可以较好地改善阻抗匹配, 扩展带宽, 使天线满足4G无线通信需求.天线经优化后, 最终确定的尺寸参数为:L=99mm, L1=5.5mm, L2=13.5mm, L3=15mm, L4=11mm, L5=38mm, L6=17mm, L7=12mm, L8=6mm, L9=13mm, L10=9mm, L11=11mm, L12=46mm, L13=5mm, W=60mm, W1=3mm, W2=11mm, W3=5mm, W4=6mm。
2天线制作与测试结果分析
本文加工制作的接地板共面结构的4G手机天线如图5所示。利用微波网络分析仪R3765CH对所加工天线进行测试分析, 结果如图6所示.仿真软件得到天线在低频段谐振于0.75GHz, 工作频段为0.69GHz~0.82GHz, 中频段和高频段分别谐振于2.60GHz和3.49GHz, 工作频段为2.49GHz~4.06GHz。实际测试结果为:天线在低频段谐振于0.778GHz, 工作频段为0.724GHz~0.844GHz, 中频段和高频段分别谐振于2.528GHz和3.501GHz, 工作频段为2.328GHz~3.620GHz频段。测试与仿真结果存在细微差异, 主要是由于SMA接头存在损耗, 和实际测试环境中存在一定的电磁干扰所致。
图7所示为0.75GHz、2.6GHz、3.5GHz处的天线测试的E面和H面场图。由图可知, 天线的增益分别为2.7d Bi、4.9d Bi和5.3d Bi, 同时也表明天线具有较好的全向性。
本文提出一种适用于4G无线通信的共面结构的平面天线, 并对其进行了仿真与加工测试。研究结果表明该天线的第一个中心频率为0.75GHz, 频带宽度为130MHz (0.69GHz~0.82GHz) , 天线增益为2.7d Bi;第二个和第三个中心频率分别为2.6GHz和3.5GHz, 频带宽度为1570 MHz (2.49GHz~4.06GHz) , 天线增益分别为4.9d Bi和5.3d Bi。该天线能很好地满足4G无线通信频段标准, 在4G无线通信中具有广阔的应用前景。
参考文献
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手机天线 篇3
随着移动通信的飞速发展 ,手机越来越趋向小型化、多功能、高性能 ,而且要美观耐用。这对手机天线的设计提出了更高的要求,其未来的发展趋势必将是小型化、内置化、多频段和智能化。微带天线作为一种新型天线,具有重量轻,体积小,剖面低,制造简单,能与载体共形等特点[1],因而在内置手机天线的研究设计上引起了更多的重视。近年来,颇受关注的是一种平面倒置F型微带天线。线性倒F天线是一种小尺寸天线,当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想(辐射电阻小),为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载的技术,把线形振子水平部分用平面代替,形成了平面到F天线,即PIFA(Planar Inverted-F Antenna)。参考文献[2]通过在辐射贴片上开了一个L形隙缝,实现了双频工作,分别谐振在WCDMA和ISM频段,相对带宽分别达到14.1%,4.92%,增益分别达到了4.62dBi和4.89dBi;参考文献[3]设计了一种双频WLAN微带缝隙天线,采用T形微带缝隙结构达到宽带双频工作,其频率覆盖WLAN系统的2.4-2.484GHz和5.15-5.35GHz,进一步扩展了带宽,分别达到了27%,12.3%;参考文献[4]在辐射贴片上开了2个U型槽的方法,可在GSM900MHz,DCS1800MHz和ISM2450MHz三个频段工作,带宽分别达到了6.4%,6.1%和2.5%,天线的增益及带宽均满足现代移动通信系统的工作要求,但是高频段2450MHz的带宽较窄。
基于对微带天线的研究,本文提出了一种新型的平面倒F型天线。它的结构特点是:天线辐射片上开了一个h型槽和一个矩形槽,用一个短路壁来调节阻抗匹配,采用同轴馈电。通过调节槽的位置和大小、馈电点的位置。在GSM900MHz,DCS1800MHz和ISM2450MHz 三个频段的增益分别达到了0.1dBi,0.25dBi和0.4dBi,带宽分别达到了6.44%,6.67%和4.5%,实现了三频工作。
2 PIFA天线及多频段技术
PIFA天线的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体,并以一个较大的地平面作为反射面,辐射体上有馈电点和接地点。
PIFA天线的近似谐振频率为[5,6]
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式中c为光速;L为辐射贴片的长边;W为辐射贴片的短边。
式(1)是根据PIFA天线作为一个半波长环形缝隙天线这一假定而得出的求解谐振频率的近似公式。另外,辐射体和接地面之间的高度对天线的带宽有着非常关键的影响。
PIFA天线实现多频段的目前的方法为:
①采用多馈点,但调谐频率和调谐范围受到一定的限制,通常不采用;
②在辐射体上采用开槽技术,实际应用中的多频段技术多采用开槽的方式实现。PIFA采用"开槽"设计,是将贴片天线和缝隙天线的优势加以综合利用,贴片天线容易设计、加工,可以双频工作。
在辐射体上开槽,形成缝隙天线可产生单向或双向方向图,且对制造公差的敏感性比贴片天线小。所利用的原理就是天线在所有谐振点上是以不同的模式工作的,即低次模和高次模,二者的频差很大,不满足指定频段的要求。限于手机中对天线体积、重量和制造工艺的要求,在贴片上"开槽",通过人工额外加载缝隙的办法,较小限度地改变天线结构,而较大限度地改变贴片表面的电流分布,从而实现增加频段、扩展频带的目的。只要仔细调整开槽的位置,槽的尺寸以及开槽缝隙的宽度,同时在合适的位置加载短路壁,就有可能使高次模的谐振频率降低到需要的频段,同时又不影响低次模在低频段上的应用。因此,近年来在多频天线的设计中,经常采取这一方法[4]。
3 三频段PIFA天线的设计
3.1 天线模型尺寸
本文以矩形贴片天线为载体进行研究,采用在辐射体上开槽技术,基于时域有限差分法进行设计、仿真和优化,得如图所示天线模型。其天线底层介质高度为1.65mm,介电常数为4.6,上层介质采用空气层,总高度为10mm,接地板大小为89mm*50mm(PCB板的尺寸),贴片大小为61.5mm*19.2mm。具体贴片尺寸如图 1所示。图中主体为开h形槽孔,W3和L3槽孔为调整低端频率,改善阻抗特性。
经反复优化、修改,最终得到槽孔尺寸数值如下(单位:mm):L1=56.6mm,L2=4mm,L3=3.75mm,L4=15.6mm,L5=6.5mm,W1=17mm,W2=11.5mm,W3=7.2mm,W4=3.5mm,W5=2mm。
3.2 天线调谐
谐振频率调节采用的步骤为:①调节缝隙的长度和宽度。首先确定低频段的谐振频率点,原则是缝隙不能弯折,避免切割电流路径太多而影响带宽和效率,然后调节高频段的缝隙和长度;②馈电点和短路壁起着变换天线阻抗的作用,即它们的感抗与辐射体和接地面形成的容抗之间构成谐振回路,它们越长则变化的效果越明显(实际中表现为天线高度的变化)。当改变它们的粗细时(横截面尺寸)也会改变天线的阻抗[7]。调节天线的匹配时,通过改变馈电点和短路壁的位置、长度与横截面尺寸来实现。本文设计的短路壁位置如图 2 所示,其中W6=16.25mm,W7=3mm,W8=5.5mm。
3.3 参数影响分析
改变槽孔尺寸,即微调了电流路径,从而改变了阻抗特性,影响谐振频率,各参数变化对三个频率点(f1=0.9GHz,f2=1.8GHz,f3=2.45GHz)的影响如表 1所示。
可见,影响低频段900MHz的谐振频率的主要因素有W,L,L1,L3等几项;影响1800MHz的谐振频率的主要因素有L1,L2,L3,L4,W1,W2,W5,影响高频段2450MHz的谐振频率的主要因素有L1,L2,L3,W4。
由于PIFA属于小型天线,设计上的一点误差对小天线尤其严重,而且各个参数互相制约,互相影响,因此有必要对上述的几个主要参数进行细微调节,综合比较,才能优化出合适的天线尺寸,得到理想的性能指标。
3.4 天线的仿真分析
本文应用时域有限差分法,在数值计算空间构建天线模型,分为四层:第一层为辐射贴片(金属层),即辐射单元;第二层为空气层;第三层为介质层;第四层为接地导体层。为在计算机的数字空间中模拟电磁波的传播及与物体的作用,得到包括时间变量的 Maxwell 方程的四维准确数值解,再通过傅里叶变换求得三维空间的频域解,采取了以下措施:①构建非时变、线性、各向同性媒质填充的无源区域;②当在计算机的有限存储空间对电磁波的传播进行模拟时,考虑了数值色散问题;③为保证细微结构区域的分辨率,又能节省计算内存和时间,在细微结构区域使用细网格尺寸,在其他区域应用粗网格尺寸;④设置理想匹配层边界,弥补由于计算机内存有限、对计算区域进行截断的缺欠,以模拟电磁波无反射地通过截断边界,按Maxwell 方程描述的规律,向无限远处传播。⑤在天线辐射边沿构置测量盒子,由测量值可得辐射的相对大小和相位,再构建远区辐射场的测量盒子,从而获得远区辐射情况。⑥设置数值计算时间和衰减量。
在此基础上,在层编辑器中设定所需要的介质材料、优先级、颜色、介电常数等参数,开始对天线进行仿真。
3.4.1 回波损耗
在利用天线来做电磁能量的发送和接收的过程中不可避免地会产生能量的损失,在仿真空间运行仿真程序,得图3所示平面倒F型天线的回波损耗曲线图,由于辐射板上开了一个h型槽和一个小矩形槽,得到了3个频率谐振点,分别为0.883GHz(阻抗带宽为0.805-0.938G),1.80GHz(阻抗带宽为1.75-1.87G)和2.44GHz(阻抗带宽为2.37-2.48G)。这三个频率段涵盖了GSM/DCS/ISM的工作频段。仿真结果满足目前GSM移动终端所需的3频段的工作频率。
3.4.2 辐射方向图
图 4～6是按照上述辐射贴片仿真所得的在3个谐振点处的E面和H面的辐射方向图。可以清楚地看出,天线在900MHz频段的最大增益达到了0.1dBi,1800MHz频段的最大增益达到了0.25dBi,2450MHz频段的最大增益达到了0.4dBi,三个频率点方向性较好。
4 结束语
本文根据PIFA天线的基本原理,提出了一种结构紧凑、造型简单的平面倒F型微带天线,通过设计,对天线建模仿真、不断调试、优化之后,得到的天线可使频率覆盖GSM900MHz、DCS1800MHz和ISM2450MHz 3个频段,天线的增益及带宽均满足现代移动通信系统的工作要求。研究了所开槽孔参数的变化对天线谐振频率的影响,为三频PIFA天线的设计提供了一种新思路。
摘要：本文提出一种新型平面倒置F型三频手机天线(PIFA)。天线采取单馈点同轴馈电,上层辐射片开h形槽孔,应用时域有限差分法对天线进行设计和仿真,在GSM900MHz,DCS1800MHz和ISM2450MHz 3个频段的增益分别达到了0.1dBi,0.25dBi和0.4dBi,带宽分别达到了6.44%,6.67%和4.5%,表明该天线可在三个频段工作,满足了新一代无线通信系统对频段、带宽和增益的要求。
关键词：平面倒F型天线,三频h型天线,GSM900MHz/DCS1800MHz/ISM2450MHz
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手机天线 篇4
关键词：FM,有源天线,低噪声放大器,英飞凌
有源天线技术是指用一个合适的低噪声放大器直接连接FM的内置天线。所谓的有源天线模块包含一个单独的特制无源结构,它直接与相应的放大器电路相连。这种技术在新移动设备应用中快速赢得了认可。高增益,小封装及高抗静电能力的低噪声放大器是有源天线设计的重要因素。英飞凌科技的新一代BGB719N7ESD可以满足这种有源天线的所有要求。
内置天线的设计挑战
在设计有源天线时也会遇到一些挑战。当把天线集成到手机内部时会出现两个问题。一是,电小尺寸及位置比较低的天线具有高的输入电抗,低的输入阻抗及低的辐射效率,使得很难得到其与其他电路的良好匹配。第二个问题涉及到手机内部与FM天线位置靠近的其他天线的发射信号的隔离。这影响到与大多数辐射都有关系的手机底盘中的射频电流。其他与手机底盘相连的天线或者类似用底盘作为主要辐射子的天线,都将遭受严重的信号泄露。
电小尺寸的内置天线将会严重地降低天线增益,从而导致比用耳机作为外置天线的低接收灵敏度。为了补偿接收灵敏度,必须使用有源天线技术。除了低噪声放大器这个主要的器件外,外置ESD保护器件及用于分集天线的单刀双掷开关在有源天线系统里也是十分必要的。单刀双掷开关可以用于外置耳机天线和内置天线的切换。
利用一个高性能的低噪放可以提高接收机的灵敏度。但是,在上述内置天线系统低噪放设计中会有一些困难。在手机应用中,为了延长电池使用时间,低电流是十分必要的。但是低电流又会影响到低噪放的线性度。其他的需求包括关断功能,射频管脚强的抗静电能力,小尺寸及外围器件少等。
方案-有源天线