Design of a compact mobile phone antenna with octa-band reconfigurable characteristics
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摘要: 提出了一种新型频率可重构的手机天线，尺寸为43 mm×9 mm×3 mm.该天线由曲折馈电枝节、耦合枝节，以及多路射频开关(RF-Switch)组成.通过RF-Switch接入不同的电感改变天线的感抗值和带线的有效电长度，在低频段得到了四种不同的工作状态，天线的低频带宽显著增加.研究结果表明:所设计天线能够很好地覆盖长期演进(Long Term Evolution, LTE)、无线广域网(Wireless Wide Area Network, WWAN)八个频带且频段内回波损耗小于-6 dB.实测表明天线具有良好的辐射效率和辐射增益，能够实现全向覆盖，具有很好的应用前景.Abstract: A novel frequency reconfigurable mobile phone antenna of 43mm×9mm×3mm in size is proposed. The proposed antenna consists of meander feeding strip, coupling strip and multichannel RF-Switch. To achieve the resonant modes of lower band among four different working states, the RF-Switch is used to change the inductance value and the effective electrical length of the feed line. The lower band bandwidth of the antenna is expanded obviously. The research results show that long term evolution(LTE) and wireless wide area network(WWAN) can be covered by the proposed antenna with the return loss better than 6dB. The proposed antenna was fabricated and measured, good performances of the radiation efficiency, antenna gain and radiation patterns are obtained. It has the good prospects for the applications.
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Keywords:
- RF-Switch /
- multi-band /
- frequency reconfigurable /
- compact mobile phone antenna
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引言
随着现代无线通讯技术的快速发展，轻便、高传输速率、多功能成为移动设备的新特点.因此，小型化、多频段、超宽带天线的设计对于移动设备的发展有着重要的意义.可重构天线[1-4]的提出与应用可以很好地解决天线设计中小型化和多频段覆盖问题.从目前的研究来看，传统的单极子天线[5-6]，采用增大天线的尺寸和增加天线的结构复杂度来扩展天线的工作频段和带宽，天线尺寸分别为65 mm×11 mm×8.5 mm和55 mm×10 mm×8 mm，很难应用于移动设备中, 且制作加工难度大.文献[7-9]中给出了三款利用PIN二极管作为开关改变天线的辐射结构来实现频率可重构.文献[10]通过改变地板面积的大小实现了双频重构.但文献[7-10]所设计的天线覆盖的工作频段较少，不能够很好地应用于多功能移动设备中.对于多频段可重构手机天线设计，文献[11-12]提出了利用匹配桥和PIN二极管改变天线馈电结构的方法，实现了五频段覆盖，天线尺寸都为60 mm×5 mm×5 mm，且天线结构复杂，重构方式机械，不适用于超薄手机设备.文献[13-14]提出了利用微机电系统(Microelectro Mechanical Systems, MEMS)可调电容和一些其他方法实现频率可重构.然而以上设计的天线并不能解决移动设备的LTE/WWAN全频段覆盖，且制作加工复杂、成本高、尺寸较大、实际利用价值不大.
针对以上设计天线的不足，设计了一款新的频率可重构手机天线.该天线通过RF-Switch控制接入不同值的电感，改变了天线的感抗值和有效电长度，实现了频率可重构.该天线能够完成对移动设备的LTE/WWAN全频段覆盖，具有重构方式简单、尺寸小、频带宽、易于加工等优点.文中天线能够覆盖LTE700/GSM850/900、DCS1800/PCS1900/UMTS 2100/LTE2300/2500八个频段(低频段698~960 MHz，高频段1 710~2 690 MHz), 且回波损耗小于-6 dB，实测表明天线具有良好的辐射效率和增益，实用性很强.
1 频率可重构天线设计
天线结构与尺寸如图 1所示.天线被安放在介质基板的左上角，背部地板采用镂空处理.天线基板尺寸为120 mm×60 mm，介质，基片材料采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为0.8 mm的环氧树脂(FR-4).天线尺寸仅为43 mm×9 mm×3 mm，而背部地板镂空尺寸为45 mm×10 mm，镂空部分和天线之间微小的间隙将会降低耦合效应对天线性能的影响.天线主要由带线1、带线2、回形带线和RF-Switch(PE42440)四部分组成.其中带线1、带线2为两个不同长度的短路条，带线1经RF-Switch接地，带线2则连接到射频芯片的RFC端，通过RF-Switch选择不同的电感作用于带线2枝节来实现低频段的频率重构.回形带线的长度约为0.66λeff，λeff表示天线在谐振频率点的有效波长，可以计算为
{\lambda _{{\rm{eff}}}} = \frac{c}{{{f_{{\rm{res}}}}\sqrt {{{\rm{ \mathit{ ε} }}_{{\rm{eff}}}}} }}. (1) 式中: c为真空中的光速; fres为天线的谐振频率; εeff为有效介电常数，其值约为 \frac{{{{\rm{ \mathit{ ε} }}_{\rm{r}}} + 1}}{2}，εr为介质基板的相对介电常数.
RF-Switch的原理图如图 2(a)所示.利用RF-Switch多路选择的特点，得到低频段四种不同的工作状态.由图 2(b)可知，多路RF端口分别接上不同的电感，进而改变天线枝节的有效电长度，实现四次频率重构.RF-Switch功能表及工作状态如表 1所示，其中V2V1为RF-Switch控制输入端.由表 1可知经过四次重构可以得到680~752 MHz、728~825 MHz、810~885 MHz、866~990 MHz四个频带, 能够很好地覆盖LTE700/GSM850/900三个工作频段.
表 1 RF-Switch芯片功能表及工作状态状态 接通开关 V2V1 工作频段/MHz 1 RF1 00 866~990 2 RF2 10 810~885 3 RF3 01 728~825 4 RF4 11 680~752 2 实验结果与分析
天线实物如图 3所示.图 3(a)为天线的正面结构, RF-Switch由导线连接至5 V稳压电源.天线的回波损耗如图 4所示.仿真结果由AnsoftHFSS13.0仿真得到.由图 4可知，测试结果与仿真结果基本吻合，存在的偏差主要是由制作加工工艺和测试设备的影响造成.实测带宽分别为:低频段310 MHz(680~990 MHz)和高频段1 010 MHz(1 690~2 700 MHz).能够很好地覆盖LTE/WWAN八个频段.
为了更好地了解天线性能与结构间关系，分别对天线的表面电流分布和辐射枝节对天线性能的影响进行了讨论.天线工作在不同频率时的表面电流分布如图 5所示，此时RF-Switch工作在状态2.由图 5可知，带线2辐射枝节上有着很强的表面电流，低频段谐振(0.84 GHz)主要由带线2辐射枝节所产生.对于高频谐振部分, 其表面电流相对较弱，1.84 GHz是由回形带线激发所产生，2.60 GHz则是由短路枝节带线1激发所产生.
结构1、结构2和文中天线的回波损耗如图 6所示.由图可知：结构1(回形带线)单独作用时，产生一个频率约为2 GHz的谐振点；结构2(回形带线和带线1)作用时，结构1产生的谐振点将会向左偏移，同时增加了一个高频谐振点.加入辐射枝节带线2后，即文中天线，又增加了一个低频谐振点，该谐振点由辐射枝节带线2和回形带线辐射枝节耦合激发产生.结合天线的表面电流分布，能够充分说明各枝节在天线结构中的作用和对天线性能的影响.
天线在工作状态2的实测辐射方向图如图 7所示.由图可知：0.84 GHz和2.60 GHz在xoz面(E面)表现出双向辐射特性, 对应的方向图与四分之一波长的单极子天线方向图相似，而在yoz面(H面)具有很好的全向辐射特性；1.84 GHz时xoz面 (E面)和yoz面(H面)辐射方向图都呈现出全向性辐射特性，且增益变化幅度较小，交叉极化相对较小.由测试结果可知:文中天线能够很好地满足通信系统中全向辐射这一特点，具有稳定的辐射性能.
天线效率和增益的测试结果如图 8所示.由图 8可知:在低频段, 由于天线工作状态不同, 天线的增益在0.7~2.3 dBi之间变化, 天线的效率大于45%;在高频段, 天线增益在0.9~2.8 dBi之间变化, 天线效率大于40%.能够很好地满足手机通信系统的要求, 具有很高的工程应用价值.
文中天线与文献[6]、[12]中的天线结构、尺寸及覆盖频段对比如表 2所示.由表 2可知：文献[6]中天线采用T形单极子结构，虽能覆盖八个手机工作频段，但天线尺寸较大，8 mm的天线高度很难适用于超薄手机；文献[12]则采用双天线结构，较文献[6]中的天线体积减小了66%，但是天线的覆盖频段也随之减少，未能覆盖LTE700/2300/2500三个工作频段；文中天线体积较文献[6]减小了74%，可以覆盖八个工作频段，且结构简单，易于加工制作.
表 2 天线结构、尺寸及覆盖带宽比较3 结论
设计了一款新型的实用小尺寸频率可重构手机天线，该设计通过将RF-Switch应用于天线结构中，使天线能够实现对LTE/WWAN频段的全覆盖.利用RF-Switch开关调节天线的感抗值，实现对低频段的频率可重构，对高频段基本没有影响，能够明显地扩展天线的带宽.实验结果表明:可重构天线能够覆盖LTE700/GSM850/900、DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2300/2500八个工作频段，且回波损耗小于-6 dB，天线具有很好的辐射效率和增益，能够实现全向覆盖.实测结果与仿真结果吻合良好，表明该天线能够很好地实现频率可重构特性.该天线制作尺寸小、重构方式简单、各频带间相对独立、性能优良且具有很高的实用价值.
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表 1 RF-Switch芯片功能表及工作状态
状态 接通开关 V2V1 工作频段/MHz 1 RF1 00 866~990 2 RF2 10 810~885 3 RF3 01 728~825 4 RF4 11 680~752 
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