小型化,宽频带4g移动终端天线设计
随着现代电子信息技术的快速发展及应用，天线作为在馈线上导行波与空间电磁波的转换器件，成为了无线通信系统中重要的组成部分。人们希望其具有更小的体积，更宽的频带。针对当前移动通信系统广泛使用的多辐射单元集成天线存在的问题，本文设计并制作了一款双频宽带偶极子单体天线。设计中，利用天线臂赋形扩展了带宽、天线臂局部延展并折弯实现了双频点、电容加载实现了频点飘移，使该天线工作频段能够覆盖TD-LTE的全部制式。在1.8～3GHz频段内，天线的仿真和实测回波损耗（S11）曲线吻合较好，对应TD-LTE制式所有业务频段的S11低于-10dB；主谐振点处的仿真和实测方向图吻合，符合偶极子天线的辐射特性。关键词 天线，4G通信，天线臂赋形，TD-LTE制式，电容加载，双频点
目 录
1 引言 1
1.1 课题的背景与研究意义 1
1.2 国内外研究发展现状与前景 2
1.3 本文研究思路及主要工作 3
2 偶极子天线原理与结构分析 4
2.1 原理概述 4
2.2 偶极子天线结构 4
2.3 电磁仿真软件HFSS介绍 6
3 天线单元设计 7
3.1 天线小型化设计 7
3.2 天线宽频带设计 7
3.3 天线双频点设计 8
4 数据结果与分析 9
结 论 13
致 谢 14
参 考 文 献 16
1 引言
1.1 课题的背景与研究意义
伴随现在电子通讯技术的加速发展和无线电设备的广泛运用，天线作为在馈线上导行波与空间电磁波的转换器件，构成了无线通讯设备中无法缺少的一个非常重要的构成单位，已经受到了人们的普遍关注并且也进行了相应的深刻研讨。而且天线作为一个前端的无线通讯设施，对于整个通信系统性能的好坏起至关重要的功用。所以，可以满足于现代多种通讯系统所要求的高性能天线被设计出来具有至关重要的运用价值。
当做一种在无线终端中被宽泛运用的设施，近年来手机内置天线的小型化技术和加宽频段加上多种频带引起了通信业界的普遍关心。按照统计的数据表 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
明，手机用户量在2011 年底的时候几乎涵盖了全球总人数，到达了五十几亿人次。由此可见，在我们生活中移动通信技术都已经深刻地渗入到了全地球人民的日常生活中的每一点每一滴，电子设备中非常普遍运用的一种也就数移动手机了。据调查显示，而且在所有的移动手机用户之中表明，移动宽带使用者有将近十几亿人，飞速发展的过去时间内，全世界宽带用户量正在以每年 45%的比例加速增长，以上数据证明移动宽带的时代在不知不觉中来到了我们的生活。
因此，小型化宽频段移动终端天线的研究具有非常重要的实际意义和价值。
作为无线收发系统与空间电磁波的出入口，天线在军事和商用领域占都据着不可替代的位置[1,2]。现代移动通信系统中，它对系统的信道容量、传输速度、通信质量及覆盖范围更是存在关键影响。进入3G时代以来，移动通信系统向移动用户提供的业务类型越来越多，这些业务被分配在不同的无线频段，需要使用不同的天线。天线在近距离安装时，相互之间耦合干扰严重。所以现代移动通信系统中的天线，尤其是移动终端的内置天线，应尽可能采用宽带天线实现多频段覆盖，以减少天线使用数量[37]。为了实现多频段覆盖，研发人员通常采取多个辐射单元集成技术设计现代移动通信天线。如文献[8]以接地导体板上直缝隙辐射单元和弯缝隙辐射单元实现一款宽频带移动终端内置天线；文献[9，10]以环形辐射单元与寄生单极子辐射单元集成实现宽频带移动终端内置天线；文献[1113]以多根长度不同微带贴片弯折成不同形状的单极子辐射单元实现移动终端内置集成天线；文献[14]以辐射单元多分枝结构实现移动终端内置IFA天线。上述文献显示，这种多辐射单元的集成天线存在着共性问题：与各个辐射单元对应的不同频段增益相差较大，给系统的 信号处理带来困难；在有差别的方向辐射强度相差较大，对于位置时变、方向时变的移动终端，这种情况将影响通信质量。
2013年12月4日，中国工业与信息化部向国内三大运营商发送了4G牌照，全部为TDLTE制式，业务频段分配如表1所示。本文综合天线臂加宽、天线臂开路端赋形、天线臂贴片局部延展及电容加载等技术实现一款宽频带偶极子单体天线。其仿真和实测回波损耗（S11）低于10dB的频段能涵盖表1所示的全部TDLTE频段。S11低于10dB是一般工程要求，如果按照移动终端天线的6dB标准，该天线将领有更宽的工作带宽。
该天线为单体偶极子结构，仿真和实测结果显示辐射全向性好、带内增益稳。另外，本天线还采用了小型化技术，尺寸仅为1.6mm×33mm×49mm。这些优势使其在4G移动通信领域有很好的应用前途。
表1 国内TDLTE制式业务频段
中国移动
中国联通
中国电信
18801890MHz
23002320MHz
23702390MHz
23202370MHz
25552575MHz
26352655MHz
25752635MHz
1.2 国内外研究发展现状与前景
面对当前 4G 无线通信的发展现状以及市场对移动终端天线的需求，国内外学者已经对 4G 无线通信的移动终端天线做了一些研究。
文献[15]提出一种带有两个谐振枝节的耦合回路结构，使天线工作在两个宽频段：698MHz~960MHz 和 1710MHz~2690MHz，最大增益分别为 2.2dBi 和4.95dBi，能够用于 4G手机上，该天线占据在 7×11×46mm 的空间。
文献[16]提出了一款可应用于 USB 接口和蓝牙耳机上的 PIFA 型天线，覆盖了两个LTE频段：1710MHz~1880MHz和2500MHz~2690MHz，最大增益为0.8dBi和 2.6dBi，该天线尺寸小，剖面低，但覆盖频带少，增益低。
文献[17]提出一种迂回环路的多枝节单级天线，通过加载耦合馈电回路来调节谐振频率，在侧面设置 C 形贴片来改善阻抗匹配和工作带宽，使天线工作在0.68GHz~1.35GHz 和 1.66GHz~2.71GHz，此天线具有体积较小，结构较为紧实，频带广的优点。
文献[18]提出一种带有分布式电感短路条的耦合馈电单极子天线，利用分布式电感短路条实现了双频工作，并且能获得较好的带宽，使工作频段能笼盖824MHz~960MHz 和 1710MHz~2690MHz 的宽频范筹，增益分别为 0.8dBi 和4.2dBi，该天线还有尺寸小的特点，只占据 15×29mm大小的平面区域。
目 录
1 引言 1
1.1 课题的背景与研究意义 1
1.2 国内外研究发展现状与前景 2
1.3 本文研究思路及主要工作 3
2 偶极子天线原理与结构分析 4
2.1 原理概述 4
2.2 偶极子天线结构 4
2.3 电磁仿真软件HFSS介绍 6
3 天线单元设计 7
3.1 天线小型化设计 7
3.2 天线宽频带设计 7
3.3 天线双频点设计 8
4 数据结果与分析 9
结 论 13
致 谢 14
参 考 文 献 16
1 引言
1.1 课题的背景与研究意义
伴随现在电子通讯技术的加速发展和无线电设备的广泛运用，天线作为在馈线上导行波与空间电磁波的转换器件，构成了无线通讯设备中无法缺少的一个非常重要的构成单位，已经受到了人们的普遍关注并且也进行了相应的深刻研讨。而且天线作为一个前端的无线通讯设施，对于整个通信系统性能的好坏起至关重要的功用。所以，可以满足于现代多种通讯系统所要求的高性能天线被设计出来具有至关重要的运用价值。
当做一种在无线终端中被宽泛运用的设施，近年来手机内置天线的小型化技术和加宽频段加上多种频带引起了通信业界的普遍关心。按照统计的数据表 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
明，手机用户量在2011 年底的时候几乎涵盖了全球总人数，到达了五十几亿人次。由此可见，在我们生活中移动通信技术都已经深刻地渗入到了全地球人民的日常生活中的每一点每一滴，电子设备中非常普遍运用的一种也就数移动手机了。据调查显示，而且在所有的移动手机用户之中表明，移动宽带使用者有将近十几亿人，飞速发展的过去时间内，全世界宽带用户量正在以每年 45%的比例加速增长，以上数据证明移动宽带的时代在不知不觉中来到了我们的生活。
因此，小型化宽频段移动终端天线的研究具有非常重要的实际意义和价值。
作为无线收发系统与空间电磁波的出入口，天线在军事和商用领域占都据着不可替代的位置[1,2]。现代移动通信系统中，它对系统的信道容量、传输速度、通信质量及覆盖范围更是存在关键影响。进入3G时代以来，移动通信系统向移动用户提供的业务类型越来越多，这些业务被分配在不同的无线频段，需要使用不同的天线。天线在近距离安装时，相互之间耦合干扰严重。所以现代移动通信系统中的天线，尤其是移动终端的内置天线，应尽可能采用宽带天线实现多频段覆盖，以减少天线使用数量[37]。为了实现多频段覆盖，研发人员通常采取多个辐射单元集成技术设计现代移动通信天线。如文献[8]以接地导体板上直缝隙辐射单元和弯缝隙辐射单元实现一款宽频带移动终端内置天线；文献[9，10]以环形辐射单元与寄生单极子辐射单元集成实现宽频带移动终端内置天线；文献[1113]以多根长度不同微带贴片弯折成不同形状的单极子辐射单元实现移动终端内置集成天线；文献[14]以辐射单元多分枝结构实现移动终端内置IFA天线。上述文献显示，这种多辐射单元的集成天线存在着共性问题：与各个辐射单元对应的不同频段增益相差较大，给系统的 信号处理带来困难；在有差别的方向辐射强度相差较大，对于位置时变、方向时变的移动终端，这种情况将影响通信质量。
2013年12月4日，中国工业与信息化部向国内三大运营商发送了4G牌照，全部为TDLTE制式，业务频段分配如表1所示。本文综合天线臂加宽、天线臂开路端赋形、天线臂贴片局部延展及电容加载等技术实现一款宽频带偶极子单体天线。其仿真和实测回波损耗（S11）低于10dB的频段能涵盖表1所示的全部TDLTE频段。S11低于10dB是一般工程要求，如果按照移动终端天线的6dB标准，该天线将领有更宽的工作带宽。
该天线为单体偶极子结构，仿真和实测结果显示辐射全向性好、带内增益稳。另外，本天线还采用了小型化技术，尺寸仅为1.6mm×33mm×49mm。这些优势使其在4G移动通信领域有很好的应用前途。
表1 国内TDLTE制式业务频段
中国移动
中国联通
中国电信
18801890MHz
23002320MHz
23702390MHz
23202370MHz
25552575MHz
26352655MHz
25752635MHz
1.2 国内外研究发展现状与前景
面对当前 4G 无线通信的发展现状以及市场对移动终端天线的需求，国内外学者已经对 4G 无线通信的移动终端天线做了一些研究。
文献[15]提出一种带有两个谐振枝节的耦合回路结构，使天线工作在两个宽频段：698MHz~960MHz 和 1710MHz~2690MHz，最大增益分别为 2.2dBi 和4.95dBi，能够用于 4G手机上，该天线占据在 7×11×46mm 的空间。
文献[16]提出了一款可应用于 USB 接口和蓝牙耳机上的 PIFA 型天线，覆盖了两个LTE频段：1710MHz~1880MHz和2500MHz~2690MHz，最大增益为0.8dBi和 2.6dBi，该天线尺寸小，剖面低，但覆盖频带少，增益低。
文献[17]提出一种迂回环路的多枝节单级天线，通过加载耦合馈电回路来调节谐振频率，在侧面设置 C 形贴片来改善阻抗匹配和工作带宽，使天线工作在0.68GHz~1.35GHz 和 1.66GHz~2.71GHz，此天线具有体积较小，结构较为紧实，频带广的优点。
文献[18]提出一种带有分布式电感短路条的耦合馈电单极子天线，利用分布式电感短路条实现了双频工作，并且能获得较好的带宽，使工作频段能笼盖824MHz~960MHz 和 1710MHz~2690MHz 的宽频范筹，增益分别为 0.8dBi 和4.2dBi，该天线还有尺寸小的特点，只占据 15×29mm大小的平面区域。
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