引言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的興起，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)又迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。移動(dòng)終端設(shè)備也進(jìn)一步朝著互聯(lián)網(wǎng)在線設(shè)備的方向發(fā)展，而天線作為終端的關(guān)鍵部件，其性能極大地制約著終端的整體性能，傳統(tǒng)的移動(dòng)終端天線已經(jīng)不能滿足4G無(wú)線通信多頻帶和寬頻化的要求。研制能覆蓋LTE和原有所有通信頻率的小型化天線就具有十分重要的意義。本文正是以此為背景，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于平板電腦的4G-LTE天線。天線的尺寸為40mmX15mm，能夠產(chǎn)生的工作頻段能覆蓋所需要的700?960MHz和1710?2700MHz頻段。目前中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行的TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)使用的D頻段(2575?2614MHz),最終結(jié)合F頻(1880?1900MHz)共同組建4G-LTE網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)聯(lián)通的4G-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)確定采用1800MHz的頻段(1755MHz?1785MHz，1850MHz?1880MHz)進(jìn)行測(cè)試，中國(guó)電信使用2.6GHz(2600?2620MHz或2635?2655MHz)為主要頻率。因此，我們所設(shè)計(jì)的天線完全滿足4G系統(tǒng)對(duì)于工作頻段的要求。

1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于微帶天線具有薄的平面結(jié)構(gòu)、便于共形、制作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于測(cè)量和通信行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。本文就是基于FR4介質(zhì)基板的微帶天線。選用的FR4介質(zhì)基板的er=4.4,損耗角正切為0.02,厚度為0.8mm。圖1給出了天線的幾何尺寸。

圖1天線結(jié)構(gòu)圖

使用195mmX107mm的FR4基板加上天線高度的15mm來(lái)模擬195mmX122mm的7英寸的顯示器，模擬顯示器的大小可以變化，而且對(duì)天線的影響較小。天線由一個(gè)變形的倒L結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單極天線和兩根寄生的輻射單元構(gòu)成。天線在B點(diǎn)處使用50Q同軸線饋電。A點(diǎn)穿過(guò)介質(zhì)基板與接地板相連。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后計(jì)算，變形倒L結(jié)構(gòu)的貼片作為四分之一波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)激勵(lì)起工作于1950Mhz的基本諧振模式。變形倒L結(jié)構(gòu)的輻射貼片與輻射單元通過(guò)縫隙G1耦合饋電。一根輻射單元激勵(lì)起工作于960Mhz的諧振模式，另一根激勵(lì)起工作于760Mhz的諧振模式，同時(shí)激勵(lì)起一個(gè)2550Mhz高階諧振模。為了提高低頻段的阻抗帶寬，通過(guò)在接地板上插入一個(gè)寬度為2mm的L型縫隙拓展低頻帶寬以達(dá)到LTE700/GSM900MHz對(duì)于頻段的要求。L型縫隙的高為19mm，長(zhǎng)為47mm，距離接地板右邊緣最近的距離為26.9mm。利用AnsoftHFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)為：L=40mm，W=15mm，L1=36.7mm，L2=31.5mm，L3=16.3mm，L4=6.8mm，L5=7mm，L6=12mm，L7=7.9mm，L8=5mm，L9=10.2mm，L10=6mm，L11=8mm，L12=7mm，L13=4.6mm，L14=10mm，L15=1.9mm，W1=1.5mm，W2=0.5mm，W3=0.5mm，W4=0.3mm，W5=0.3mm，W6=0.3mm，G1=0.3mm。

2天線制作與數(shù)據(jù)測(cè)試

通過(guò)AnsoftHFSS軟件對(duì)天線尺寸進(jìn)行仿真和優(yōu)化，再根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸，對(duì)該天線進(jìn)行實(shí)物加工和測(cè)試，天線的加工實(shí)物如圖2和圖3所示。并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)測(cè)的回波損耗如圖4所示。通常我們使用-6dB的回波損耗作為移動(dòng)終端天線性能好壞的區(qū)分點(diǎn)。通過(guò)實(shí)測(cè)的結(jié)果和仿真的對(duì)比?？梢钥闯鲈谖覀冃枰念l帶內(nèi)，回波損耗都在-6dB以下。仿真和測(cè)試的結(jié)果整體基本吻合，在2.63Ghz，天線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯好于仿真數(shù)據(jù)，其主要原因是我們選用的低成本FR4板材的損耗角正切值是隨頻率增加而明顯增大的，其在高頻段其真實(shí)的損耗大于仿真過(guò)程預(yù)先設(shè)置的固定值。此外，還有一些重要的原因，比如天線尺寸的加工誤差、同軸連接器接頭的焊接精度及測(cè)量環(huán)境不穩(wěn)定等客觀因素都會(huì)造成損耗的增大。盡管如此，天線的設(shè)計(jì)還是基本達(dá)到了我們的預(yù)期。

圖5給出了增益隨頻率變化的仿真曲線圖。圖6給出了天線在各個(gè)諧振點(diǎn)的E面輻射方向圖。由圖可見(jiàn)，天線在頻帶范圍內(nèi)有著良好的輻射特性。

3結(jié)語(yǔ)

本文給出了制作一款應(yīng)用于平板電腦上的4G-LTE天線的具體方法，該天線在工作頻段700～960MHz和1710MHz～2700MHz，能滿足4G～LTE和現(xiàn)有通信頻率對(duì)天線的要求。而且天線價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作和集成，應(yīng)用前景非常廣泛。

20211117_6195097bb4b3a__應(yīng)用于平板電腦的4G