一种新型小型双频手机内置天线

李 慧,官伯然

(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018)

0 引 言

随着军事及民用通信的发展,通信设备的小型化要求进一步提高,对天线小型化技术也有了更高的要求[1]。法向模螺旋天线是实现天线小型化的主要技术之一[2]。法向模螺旋天线(又称基模螺旋天线),它可有效的降低天线的高度,实现天线的小型化。手机天线的研究,大多以平面倒F天线为主,螺旋天线作为手机天线的研究不是很广泛。本文设计了一种能谐振于GSM和DCS的螺旋天线[3],它具有特殊的螺旋天线结构,半径于波长之比远远小于0.18,为一种法向模螺旋天线。内嵌于介电常数为2.5的介质中,它具有体积小,重量轻,能方便的置于手机内部。

1 法向模螺旋天线

典型的螺旋天为圆柱形螺旋天线,使用金属导线(或金属管带)绕制成螺旋结构的行波天线,如图1所示,通常使用同轴线馈电。

其结构内的各个参数:D为螺旋天线的直径;C=πD为螺旋天线的圆周长;S=Ctana为每圈的螺距;a为斜度角;L=为一圈的长度;N为圈数;h=NS为高度(轴向高)d为螺旋天线导体的直径将天线的每一匝近似为一小环和一理想偶极子组合,如图2所示。

螺旋由于多匝线圈缠绕的结果,增大了感性阻抗,因此容易实现自谐振,当自谐振时,它沿螺旋轴的长度较之常规的单极天线自谐振长度要短的多,利用这一特性制作细螺旋天线,其整个天线系统的效率可以相比同长度的常规单极子天线高出许多。螺旋天线辐射特性基本上取决于螺旋直径与波长之比D/λ,当D＜＜λ(D/λ＜0.18)时,最大辐射角垂直于螺旋轴向称为法向模[3],在蜂窝移动电话天线应用中螺旋天线均为法向模。同时,法向模螺旋天线是一种慢波结构的行波天线,由于电磁波沿螺旋天线传播的相速比光速慢,所以谐振长度可以缩短[4]。

法向模螺旋天线的缺点之一是输入阻抗比较低,为了与常见50Ω和75Ω同轴线匹配,常需要进行匹配改进。馈电通常可采用如图3所示3种方式。由于小型化设计的要求,在设计中应考虑匹配网络的实现。

图1 螺旋天线结构

图2 近似螺旋天线示意图

图3 同轴馈电匹配方式

2 天线设计

法向模螺旋天线的设计一般是先取定螺旋直径D和单位长度的圈数N(N=1/S)计算其相对传播常数[5]约为,C为波在真空中的速度,vz为沿螺旋轴线传输波速:

则相应的沿螺旋轴线传输波长λz为:

这种法向模螺旋天线多用作垂直极化方式,以取代车载或船载的垂直鞭天线,使天线的垂直高度大大降低。显然,谐振与四分之一波长的螺旋天线长度为:

可见,能大大缩短天线的长度。由式3可得:

若考虑到L=ns=n/N,将4右端的因子1忽略不计,于是有:

当已知D和L,就可以通过上式求得法向模螺旋天线的总圈数n为:

设计的天线,首先设计的天线是法向模结构,所以需要螺旋的半径远远小于工作频段的波长,选取螺旋天线半径,选定绕的圈数,一般天线圈数越多,天线的增益越大,然而对于内置天线来说,天线又不能取过长,一般取3～4圈。

本文中天线用HFSS建模,手机内置天线的三维模型如图4所示。该模型由4部分构成:天线单元～加载介质单元,馈电线部分和接地板等。这4部分共同参与完成电磁波与高频电流的转换。天线单元由两段细镍丝和铜丝绕成,呈一定螺旋状,金属绕线的切面为0.1mm×0.2mm,偶极子由半径为0.2mm的圆柱构成,外部加载介电常数为2.5的介质。馈电端口采用50Ω同轴线馈电。通过多次模拟仿真给出一组比较良好的参数,如图5所示,其中angel1,angel2为小环所绕的度数。angel1为246°,angel2为265°,h1为0.56mm,h2为0.85mm,h3为1.03mm,h4为2.45mm,h5为2.55mm,h6为0.625mm为各个小偶极子的高度。

图4 天线结构图

图5 天线参数设置

3 仿真结果

从HFSS中S11参数输出的结果如图6所示,观察天线仿真结果,从回波阻抗仿真结果可以看出,天线主要工作频段880～960MHz,1 710～1 880MHz频段,带宽分别为80 MHz和170MHz,能覆盖GSM和DCS段通信区域。经过计算,驻波比在这两个频段的驻波比最小可以达到1.19,最大不超过2.25,天线增益在920MHz和1.75GHz的方向图如图7、8所示,最大分别为2.29dBi和1.0dBi,增益满足GSM和DCS频段的通信要求,且辐射方向垂直于螺旋天线的中心轴方向。

值得注意的是,天线在手机内部在放置方式会影响到天线在工作性能,天线放置在手机内部的时候,平行天线下端在部分需要留出空白区域,否则会影响到天线的辐射效率。

图6 天线S11参数

图7 920MHz时天线方向图

图8 1.75GHz时天线方向图

4 结束语

法向模螺旋结构天线是天线小型化设计的一种方法,通过对新型法向模螺旋天线进行研究分析,本文设计了一种工作在GSM和DCS频段的法向模螺旋天线。天线类螺旋绕法,解决了一般螺旋天线生产中难以精确控制升角在问题,同时采用镍丝和铜丝在方法使得天线实现小型化双频段工作。仿真结果表明,该天线在GSM和DCS频段内分别具有80MHz和170MHz的工作带宽,最大有2.29dBi增益,基本可以满足CSM和DCS移动终端的要求,天线不足是辐射效率和增益较小,有待提高。

[1] 林昌禄,陈海.吴为公,等.近代天线设计[M].北京:人民邮电出版社,2004:215～235.

[2] 纪弈才,郭景丽,刘其中.加载法向模螺旋天线的研究[J].电报科学学报,2002,17(6):573～580.

[3] Hansen Richard RC,Ridgley D,Life Fellow.Fields of the Contra wound Toroidal Helix Antenna[J].IEEE Transactions on antenna and Propagation,2001,49(8):1 138～1 141.

[4] Shackelford A K.Design of Small-size Wide-bandwidth Microstrip-patch Antenna[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2003,45(1):75～83.

[5] 刘庭华,章文勋.一种新型的GSM/DCS印刷贴片天线单元[J].电波科学学报,2004,19(2):171～175.

[6] Fujimoto K,James JR.Mobile Antenna Systems Handbook[M].Boston:Artech Home,2001:155～165.