一种新颖的双G型超宽频手机内置天线仿真优化

1. 前言

几年来随着无线通讯产品技术上的进步，个人化的无线通讯产品可说是相当的普及，为了达到美观，使得手机逐渐缩小化，所以缩小天线整体面积或是体积是未来必然的趋势。为了有良好的收发讯号品质，手机天线多半采用全方向性辐射场型的线性极化天线，如单极天线 (monopole)，平面倒F型天线(PIFA)等，特点是都具有近似全方向性的辐射场型，并具有结构简单，易与基板整合，制作成本低廉等有点。目前市面上的手机多频段单极天线多为带宽不能满足设计需要而烦恼，本文介绍的手机天线采用新型高介电常数材料作为天线支架，达到天线体积的缩小的目的，并且设计出新颖的双G型天线模型使天线可以覆盖的通讯频段达到CDMA800，GSM900，DCS1700，PCS1900至WCDMA2100，天线设计过程中使用的软件为CST Microwave Studio。

图1为本文所提出的天线展平几何结构图，天线长38mm，宽3.5mm，高4mm。

图1 双G型天线几何结构图

2. 天线设计及结构尺寸

图2为手机基板顶部的结构图，所采用的印刷平面基板长度为100mm和宽度为 40mm的FR4玻纤板，介电常数εr为4.9，厚度为0.5mm，去地的面积为*0mm；50欧姆馈线宽度为1.97mm。天线支架的长度为40mm，宽度为3.5mm，高为4mm，介电常数εr为7的特殊树脂材料，损耗正切Loss tangent < 0.001.这种材料很适合作为天线的支架。材料来自日本东京的研发机构。

图2 手机基板结构图

图3 双G天线在CST软件仿真中的模型图3. 天线设计及软件仿真优化

在CST中经过多次仿真得知：(1)改变S1和S2这两个参数都会使低频部分的谐振发生改变(见图4和图5)，且变化规律 为：当缝隙S1增大时，低频部分的两个谐 振耦合的越好，但是低频带宽逐渐减小; 当缝隙S2增大时，低频的带宽相对增大，可以与S1的调节进行匹配从而得到满足要求的低频。(2)改变Gs对低频部分的影响很大，通过软件仿真可以看出Gs增大可以优化低频的驻波。

图4 参数S1改变在仿真软件中所得的结果比较

图5 参数Gs改变在仿真软件中所得的结果比较

经过多次仿真，天线的驻波可以达到设计的需要。通过实验调试，使用安捷伦的网络分析仪8753E测试天线驻波曲线，史密斯圆图。

图6 天线驻波曲线图

图7 天线史密斯阻抗圆图

图8 测试天线模型

经过网络分析仪测试，然后放入ETS 7x7x4mm3 的暗室里测试天线远场辐射图和天线效率。图9为测试天线模型。结果具体见下列图示。天线的辐射方向基本处于全向辐射。适合用于手持终端移动设备。

图9 天线分别在频率894MHz、1990MHz和2110MHz的电场辐射图及天线效率曲线图

4. 结论

本文所设计的这种超宽频高介电天线，经过Pulse苏州ETS暗室认证测试得到的结果可以看出是具有良好的辐射性能，而且体积小，结构新颖，具有非常高的市场应用价值。其原理跟市场上流行的 HTCC陶瓷天线有异曲同工之妙。