本發(fā)明涉及一種小型化十一頻段手機(jī)天線。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展，應(yīng)用在手機(jī)的頻段也越來(lái)越多。便捷、兼容、高速傳輸已經(jīng)成為移動(dòng)終端不爭(zhēng)的事實(shí)，而這對(duì)手機(jī)內(nèi)置天線多頻段、小型化、超寬帶的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。2013年12月，工信部頒布了國(guó)內(nèi)手機(jī)4g運(yùn)營(yíng)牌照，明確了新一代移動(dòng)通信的頻段劃分，即在頻段內(nèi)劃分為fdd-lteband3及td-lteband38/39/40/41，這使得新一代移動(dòng)通信不僅要頻率高、頻帶寬，還要與2g、3g無(wú)線通信兼容。天線作為移動(dòng)終端的重要收發(fā)器件，其設(shè)計(jì)要求也不斷提高。為了提高手機(jī)天線的各種性能，小型化、超寬帶、可重構(gòu)、多頻段等技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，2015年leesw等人在ieeeantennasandwirelesspropagationletters發(fā)表題為“areconfigurableantennaforlte/wwanmobilehandsetapplications”的文章，在該文章中為了提高手機(jī)天線的各種性能，小型化、超寬帶、可重構(gòu)、多頻段等技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用。2016年wangyan等人在ieeetransactionsonantennasandpropagation發(fā)表題為“widebandmonopoleantennawithlessnongroundportionforocta-bandwwan/ltemobilephones”的文章，在該文章中給出了利用金屬邊框設(shè)計(jì)的lte手機(jī)天線，天線主要通過(guò)濾波器或者添加匹配電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，并引入了大量的電感、電容，從而增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

2015年wudi等人在ieeetransactionsonantennasandpropagation發(fā)表題為“acompactandlow-profileloopantennawithmultibandoperationforultra-thinsmartphones”的文章，在該文章中提出了小型化的折疊環(huán)形天線，天線枝節(jié)采用立體架構(gòu)，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。2015年wangshang等人在ieeetransactionsonantennasandpropagation發(fā)表題為“decoupleddual-antennasystemusingcrossedneutralizationlinesforlte/wwansmartphoneapplications”的文章，在該文章中提出了一種應(yīng)用在lte/wwan的智能手機(jī)雙天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了702～968mhz,1698～2216mhz以及2264～3000mhz頻段覆蓋，該天線為雙天線結(jié)構(gòu)，天線之間加入交叉中和線提高隔離度，這對(duì)手機(jī)天線小型化的實(shí)現(xiàn)顯得非常困難。

以上天線的設(shè)計(jì)雖然能夠滿足帶寬、增益以及輻射方向性，但依托地板設(shè)計(jì)的天線體積大，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于加工；依托手機(jī)外殼設(shè)計(jì)的天線，引入了匹配電路，增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。根據(jù)以上分析，本發(fā)明以實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線小型化、超寬帶、多頻帶為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款新型的小型化十一頻段手機(jī)天線，天線尺寸只有37mm×7.2mm。與已有文獻(xiàn)的天線尺寸和覆蓋頻段相比，本文設(shè)計(jì)的天線在便攜式、小型化移動(dòng)通信設(shè)備中具有較高的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，設(shè)計(jì)了一種小型化十一頻段手機(jī)天線，該天線尺寸僅有37×7.2mm²，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線-6db阻抗帶寬為682～962mhz和1460～2875mhz，能夠覆蓋lte/wwan八個(gè)頻段，并且滿足gps、wifi以及bluetooth三個(gè)頻段s11小于-10db的要求，天線增益為1.4～2.0dbi，輻射效率在51%左右。該天線具有結(jié)構(gòu)新穎、體積小、饋電方便、頻帶寬等特點(diǎn)，在便攜式、小型化移動(dòng)通信設(shè)備中具有較高的實(shí)用價(jià)值。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種小型化十一頻段手機(jī)天線，其特征在于：介質(zhì)基板材料環(huán)氧樹(shù)脂（fr-4），整體為c型槽結(jié)構(gòu)，天線分布在右下角位置，單極子天線印刷在介質(zhì)基板正面，在背面地板上引出三條耦合枝節(jié)，并通過(guò)改變電感l(wèi)值來(lái)實(shí)現(xiàn)天線帶寬的展寬。

所述天線的損耗角正切為0.02。

所述介質(zhì)基板材料采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4。

所述介質(zhì)基板材料厚度為0.8mm。

所述天線的尺寸優(yōu)選為37mm×7.2mm。

所述天線包括饋電端口，b點(diǎn)為接地點(diǎn)。

單極子天線為梯型結(jié)構(gòu)。

所述單極子天線和參考地板分別印刷在介質(zhì)基板兩側(cè)，采用50ω同軸線饋電最為合適，同軸線外屏蔽層焊接在地板上，內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)電路板焊接在饋電端口。

通過(guò)上述方案，可得到一種小型化十一頻段手機(jī)天線。

更具體地說(shuō)，為最大限度地縮小天線尺寸，首先在介質(zhì)基板正面設(shè)計(jì)一獨(dú)立的單極子天線，記為結(jié)構(gòu)1，該單極子天線采用梯型結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真可知，單極子天線在0.75ghz、1.43ghz和2.60ghz三點(diǎn)產(chǎn)生諧振，可以滿足高頻段的要求。

為了拓寬低頻段帶寬，并通過(guò)彎折技術(shù)縮小天線的尺寸，在地板上引出了一條長(zhǎng)為65.0mm的耦合帶線（帶線1），連同單極子天線記為結(jié)構(gòu)2，該結(jié)構(gòu)使低頻諧振點(diǎn)0.75ghz向高頻偏移至0.90ghz。對(duì)結(jié)構(gòu)2進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)表面電流主要分布在饋電點(diǎn)附近，為此，在靠近結(jié)構(gòu)2端口處引出第二條帶線（帶線2），記為結(jié)構(gòu)3，在低頻段產(chǎn)生的2個(gè)諧振模式相互疊加，阻抗匹配好轉(zhuǎn)，也拓寬了低頻段帶寬。

圖2為天線設(shè)計(jì)過(guò)程中各種結(jié)構(gòu)的s11仿真結(jié)果對(duì)照?qǐng)D。圖3為不同電感值對(duì)s11性能的影響，其中下圖為低頻段放大圖。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電感逐漸增加時(shí)，低頻諧振點(diǎn)向低頻偏移，三條帶線對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的3個(gè)諧振點(diǎn)逐步向低頻展開(kāi)并顯現(xiàn)出來(lái)。采用ansoft公司的hfss13.0仿真軟件對(duì)天線優(yōu)化，且當(dāng)電感l(wèi)為2.4nh時(shí)，得到最優(yōu)的結(jié)果。

在帶線1和帶線2之間再添加第三條帶線（帶線3），記為結(jié)構(gòu)4，由于帶線3和帶線1尺寸接近，導(dǎo)致這兩個(gè)枝節(jié)產(chǎn)生的諧振點(diǎn)重合，所以三條枝節(jié)只能在低頻段產(chǎn)生2個(gè)諧振點(diǎn)。天線諧振頻率與等效電感、等效電容間的關(guān)系為：

其中，l為等效電感，c為等效電容。

由式(1)可知，天線諧振頻率的偏移，可以通過(guò)改變加載的電感或電容值來(lái)調(diào)節(jié)，為此，在如圖1所示的c點(diǎn)處引入電感，記為結(jié)構(gòu)5，通過(guò)逐步增加電感值，使帶線2和帶線3的諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，從而展寬低頻帶寬。

為了使天線能夠完全覆蓋704～960mhz和1710～2690mhz頻帶，在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先需要確認(rèn)對(duì)工作頻帶產(chǎn)生影響的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，最終得到滿足需求的天線結(jié)構(gòu)。如圖1所示，關(guān)鍵參數(shù)主要有帶線1沿y方向w3的長(zhǎng)度、沿x方向g7的厚度以及帶線3沿y方向w9的長(zhǎng)度。

如圖4所示為關(guān)鍵參數(shù)對(duì)天線s11的影響圖。圖4(a)給出了不同w3對(duì)s11的影響，w3對(duì)低頻段以及高頻段都有較大影響，增大w3，能夠使諧振點(diǎn)整體向高頻偏移，同時(shí)能夠拉低諧振頻率，拓寬頻段帶寬，但繼續(xù)增大w3，低頻帶阻抗匹配效果變差。圖4(b)中w9對(duì)高頻段諧振頻率影響較小，對(duì)低頻諧振頻率影響較大，增大w9，低頻段帶寬拓寬，但隨著w9的繼續(xù)增大，諧振點(diǎn)向低頻偏移，低頻帶上限被拉低，阻抗匹配效果不佳，不能滿足低頻帶寬要求。圖4(c)給出了不同g7對(duì)s11的影響，g7對(duì)低頻段諧振頻率影響較大，減小或增大g7，均影響低頻帶阻抗匹配，優(yōu)化后折中取值。

該天線頻帶調(diào)節(jié)的方法，首先調(diào)節(jié)帶線1的整體長(zhǎng)度，使天線高頻段帶寬能夠覆蓋dcs1800/pcs1900/umts2100/lte2300/2500，然后調(diào)節(jié)帶線2和帶線3相應(yīng)的長(zhǎng)度和厚度，穩(wěn)定低頻段的上限，再調(diào)節(jié)w9和g7，拓展低頻段下限，優(yōu)化低頻帶阻抗匹配，使低頻帶寬能夠覆蓋lte700/gsm850/900。優(yōu)化后的關(guān)鍵參數(shù)（w3=37.0mm,w9=5.1mm,g7=0.4mm）使設(shè)計(jì)的天線能夠覆蓋lte/wwan八個(gè)頻段，頻段內(nèi)s11小于-6db，并且滿足gps、wifi以及bluetooth頻段內(nèi)s11小于-10db的要求。

附圖說(shuō)明

圖1示出了本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)。

圖2示出了本發(fā)明的各種結(jié)構(gòu)的s11仿真結(jié)果。

圖3示出了不同電感值對(duì)s11的影響。

圖4示出了不同關(guān)鍵參數(shù)值對(duì)天線s11的影響，圖4(a)不同w3值對(duì)s11的影響，圖4(b)不同w9值對(duì)s11的影響，圖4(c)不同g7值對(duì)s11的影響。

圖5示出了本發(fā)明的天線實(shí)物圖。

圖6示出了仿真與測(cè)試s11對(duì)比圖。

圖7示出了不同頻率的天線表面電流分布圖。

圖8示出了天線輻射方向圖。

圖9示出了低頻段天線增益和輻射效率。

圖10示出了天線增益和輻射效率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

本發(fā)明的天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體尺寸如表1所示。介質(zhì)基板材料采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02、厚度為0.8mm的環(huán)氧樹(shù)脂（fr-4），整體為c型槽結(jié)構(gòu)。天線分布在右下角位置，尺寸為37mm×7.2mm。單極子天線為梯型結(jié)構(gòu)，印刷在介質(zhì)基板正面，在背面地板上引出三條耦合枝節(jié)，并通過(guò)改變電感l(wèi)值來(lái)實(shí)現(xiàn)天線帶寬的展寬。

單極子天線和參考地板分別印刷在介質(zhì)基板兩側(cè)，采用50ω同軸線饋電最為合適，同軸線外屏蔽層焊接在地板上，內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)電路板焊接在饋電端口，圖1中標(biāo)注的a點(diǎn)為饋電端口，b點(diǎn)為接地點(diǎn)。

根據(jù)圖1的天線結(jié)構(gòu)及尺寸，加工制成如圖5所示的實(shí)物。介質(zhì)基板被做成c型槽結(jié)構(gòu)，鏤空的c型結(jié)構(gòu)可以給手機(jī)電池預(yù)留空間，進(jìn)一步縮小手機(jī)機(jī)身的厚度。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀agilentn5247a對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試和仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果基本吻合，實(shí)測(cè)結(jié)果在高頻段帶寬變窄，存在的偏差主要由加工工藝、精度、測(cè)試環(huán)境以及fr-4介電常數(shù)的不穩(wěn)定性等因素造成。實(shí)測(cè)帶寬為：682～962mhz和1460～2875mhz，能夠覆蓋lte/wwan以及gps/wifi/bluetooth所有頻段，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7給出了0.72ghz、0.87ghz、1.55ghz、2.25ghz以及2.50ghz諧振點(diǎn)的天線表面電流分布圖。由圖可知，低頻段0.72ghz表面電流主要分布在帶線1、帶線2以及帶線3上，0.87ghz表面電流主要分布帶線3和帶線2上，高頻段1.55ghz表面電流主要分布在單極子天線和帶線1上，頻率在2.30ghz時(shí)，諧振模式則是主要由帶線3激發(fā)產(chǎn)生，頻率在2.50ghz時(shí)，諧振模式則是由帶線2以及帶線3共同激發(fā)產(chǎn)生。

對(duì)天線輻射特性進(jìn)行了測(cè)試，圖8給出了天線在0.76ghz、1.80ghz以及2.50ghz三個(gè)頻點(diǎn)在x-y面、y-z面和z-x面的輻射方向圖。由圖可知，在y-z面上基本呈現(xiàn)一個(gè)圓形，而在x-y、z-x面呈現(xiàn)類“8”字形，有一定的畸變，這主要由于各枝節(jié)之間電磁干擾、多模諧振等因素影響所致。通過(guò)對(duì)比分析圖中主極化eφ和交叉極化e?，可知本文設(shè)計(jì)的天線具有較好的方向性和極化特性，能滿足手機(jī)天線方向性要求。

天線增益和效率測(cè)試結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖可知，低頻段天線實(shí)測(cè)增益在1.5dbi左右，實(shí)測(cè)輻射效率在45%～52%之間；在高頻段，天線實(shí)測(cè)增益在1.4～2.0dbi之間變化，輻射效率在48%～53%之間。能夠滿足手機(jī)通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，具有良好的應(yīng)用前景。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。