0 引言

　　多頻帶單極天線設(shè)計(jì)常用的多帶技術(shù)主要有多輻射分枝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化饋電線結(jié)構(gòu)或增加輸入匹配集總元件，優(yōu)化輻射片與地的容性負(fù)載，輻射貼片開(kāi)槽，調(diào)整輻射片形狀，增加電流密度獲得的高階模式。文獻(xiàn)采用多個(gè)輻射分枝的結(jié)構(gòu)，提出了兩典型的多分枝單極天線，文獻(xiàn)在矩形平面單極天線的內(nèi)部，嵌入一個(gè)彎曲的切槽，實(shí)現(xiàn) GSM/DCS/PCS三頻帶天線。

　　本文提出的多頻帶單極天線，通過(guò)在平面矩形天線上開(kāi)槽，實(shí)現(xiàn)GSM/DCS/PCS頻段，同時(shí)通過(guò)一接地耦合輻射片，有效拓展了天線的工作頻段，能同時(shí)滿足TD-SCDMA制式。由于設(shè)計(jì)的天線可以與手機(jī)的其他電路制作在同一印制板上，因此天線的制作價(jià)格很低，天線高度非常適合超薄手機(jī)。

　　1 天線的設(shè)計(jì)和仿真

　　傳統(tǒng)的單極天線，輻射分枝的長(zhǎng)度約為1/4波長(zhǎng)。單極天線的輻射電阻和輻射場(chǎng)，可以利用鏡像原理來(lái)計(jì)算。簡(jiǎn)單單極天線有較低的輻射電阻，電抗為大的容性。對(duì)于無(wú)窮大地其輻射圖等同于偶極子，如果將地逐步縮小，將無(wú)法形成理想鏡像，地面的電流分布將發(fā)生變化。在現(xiàn)代天線設(shè)計(jì)中，利用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真成為天線設(shè)計(jì)的主要方式。本文使用的電磁場(chǎng)仿真軟件采用時(shí)域有限差分法，在時(shí)域進(jìn)行計(jì)算。由于激勵(lì)信號(hào)可以是具有很寬頻譜分量的窄脈沖，與傅里葉變換相結(jié)合，可以通過(guò)一次計(jì)算得到計(jì)算對(duì)象所需頻帶寬度內(nèi)的特性，因此特別適合寬帶問(wèn)題的研究。

　　利用時(shí)域有限差分法分析電磁場(chǎng)時(shí)，首先將計(jì)算空間劃分成有限網(wǎng)格，每一電場(chǎng)分量由四個(gè)磁場(chǎng)分量環(huán)繞，每一磁場(chǎng)分量亦由四個(gè)電場(chǎng)分量環(huán)繞，這種劃分方法滿足麥克斯韋旋度方程的結(jié)構(gòu)形式，適合旋度方程在空間進(jìn)行差分運(yùn)算，而且可以恰當(dāng)?shù)孛枋鲭姶挪ㄔ诳臻g的傳播過(guò)程。將麥克斯韋旋度方程在上述空間網(wǎng)格和時(shí)間上進(jìn)行離散，用下面的符號(hào)來(lái)表示任意場(chǎng)分量F在點(diǎn)(x，y，z，t)的值：

　　F(x，y，z，t)→F(i△x，j△y，k△z，n△t)→Fn(i，j，k)

　　式中：△x，△y，△z分別是x，y，z方向上的空間網(wǎng)格步長(zhǎng);△t是時(shí)間步長(zhǎng);i，j，k為整數(shù)，因此可用具有二階精度的差分運(yùn)算來(lái)替代微分運(yùn)算。

　　為了便于計(jì)算編程，空間和時(shí)間的編號(hào)為整數(shù)值，可得到無(wú)源區(qū)麥克斯韋旋度方程式(1)和式(2)的各分量的迭代公式見(jiàn)式(3)～式(8)：

　　采用數(shù)值計(jì)算空間總是有限的。為了在有限空間中計(jì)算電磁場(chǎng)量，需要對(duì)有限空間的周?chē)吔缱鎏厥馓幚?。在FDTD中使用PML(PeRFect Match Layer)技術(shù)，可以將計(jì)算區(qū)域設(shè)置為真空，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)存在散射體和外向波，計(jì)算區(qū)域由PML吸收媒質(zhì)包圍，PML媒質(zhì)之外是理想導(dǎo)體。

　　基本多頻帶單極天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，PCB主板采用通用FR4材料，板厚1 mm，尺寸為40 mm×105 mm。天線的主輻射單元通過(guò)開(kāi)槽形成兩個(gè)輻射分枝，這兩個(gè)輻射分枝長(zhǎng)度不同，通過(guò)調(diào)整輻射分枝的長(zhǎng)度，可得天線獲得兩個(gè)諧振頻率，分別對(duì)應(yīng)900 MHz和1800 MHz?？拷伨€的接地輻射片用于調(diào)節(jié)高端的諧振頻率，使得高頻帶的工作范圍能滿足TD-SCDMA要求，天線輻射單元的最終尺寸通過(guò)仿真軟件的優(yōu)化而確定。

　　圖 2顯示了接地寄生輻射分枝對(duì)天線工作頻帶的影響。從圖2(a)可以看出，沒(méi)有接地輻射分枝的情況下，天線僅能覆蓋GSM900和DCSl800，通過(guò)添加接地輻射分枝，有效地?cái)U(kuò)展了天線的工作頻帶。圖2(b)顯示了接地輻射分枝的長(zhǎng)度L3對(duì)天線高頻帶的影響。通過(guò)調(diào)整其長(zhǎng)度，使得與主輻射片的短輻射分枝的諧振頻率部分交疊，可以獲得最大的工作頻帶。

　　天線中主輻射單元的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線回波損耗的影響如圖3所示。圖3(a)顯示，長(zhǎng)輻射分枝的長(zhǎng)度L2越長(zhǎng)，900 MHz工作頻帶的中心頻率下移，工作帶寬變窄，同時(shí)1 800 MHz的工作頻率也變低，導(dǎo)致帶寬變寬;圖3(b)顯示，調(diào)整短輻射分枝的長(zhǎng)度L1，對(duì)900 MHz的工作頻帶基本無(wú)影響，而1 800 MHz的工作頻帶下限變低，加寬了工作帶寬。通過(guò)軟件優(yōu)化，獲得了最佳的結(jié)構(gòu)尺寸，可滿足天線的設(shè)計(jì)要求。

　　2 數(shù)據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)上述仿真分析，在保證天線輸入端的S11參數(shù)小于-10 dB，最終確定了天線的結(jié)構(gòu)尺寸，其中L1=21.3 mm，L2=18.75 mm，L3=22 mm。根據(jù)優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)，制作了試驗(yàn)天線，見(jiàn)圖4。利用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5701B(頻率范圍300 kHz～6 GHz)對(duì)天線特性進(jìn)行了測(cè)量，天線S11的實(shí)際測(cè)量頻率范圍是0.5～2.5 GHz。圖5給出了天線S11的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果。從仿真數(shù)據(jù)可以得到，天線在低頻帶的工作頻率為863～973 MHz，高頻帶的工作頻率為1 690～2 100 MHz;而實(shí)際制作的試驗(yàn)天線在低頻段的工作頻率為888～990 MHz，比GSM900(890～960 MHz)的工作頻帶略寬，高頻段工作頻頻率167～2 200 MHz，覆蓋了DCS/PCS/TD-SCDMA(1 710～2 025 MHz)的所有工作頻帶。同時(shí)，從圖中可以看出，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果與仿真的數(shù)據(jù)相比，實(shí)際制作的天線在GSM900比較吻合;在DCS/PCS/TD- SCDMA高頻帶，測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)略有一定偏差，試驗(yàn)天線在1 860 MHz有一個(gè)諧振點(diǎn)，此外寄生輻射分枝的諧振頻率相對(duì)變高。

　　圖 6比較了天線仿真方向圖和試驗(yàn)天線的測(cè)試方向圖。由仿真天線方向圖可知，天線方向圖與典型的單極天線方向圖非常接近，垂直平面內(nèi)的輻射方向圖具有比較好的全向性能，同時(shí)工作頻率的提高，使水平方向圖中波瓣增加，但垂直平面內(nèi)仍保持較好的全向特性。比較仿真的方向圖和實(shí)際測(cè)試的方向圖，由于測(cè)試數(shù)據(jù)的波動(dòng)，導(dǎo)致兩者形狀差別很大，但實(shí)測(cè)方向圖與仿真數(shù)據(jù)相比在幅度上基本一致。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　提出的多頻帶單極天線采用一開(kāi)槽的輻射片和耦合饋電的寄生輻射分枝，使得在888～2 200 MHz的頻帶范圍內(nèi)能獲得多個(gè)諧振頻率，因此設(shè)計(jì)天線能夠滿足GSM900/DCSl800/PCSl900和TD-SCDMA雙模移動(dòng)通信終端對(duì)天線的要求。采用經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)制作的試驗(yàn)天線，其回波損耗能滿足設(shè)計(jì)要求，并與軟件仿真結(jié)果相一致。

　　本文提出的多頻帶單極天線，其高度很低，但與地平面的距離還有縮小空間，可進(jìn)一步研究距離縮短導(dǎo)致帶寬變窄的改善措施，同時(shí)，考慮未來(lái)通信可能使用2.3～2.4 GHz頻段，可繼續(xù)研究具有更寬帶寬的單極天線。