一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線(xiàn)

1、一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線(xiàn)    摘 要:提出一種基于時(shí)域有限差分法分析的多頻帶平面單極天線(xiàn),以回波損耗-10 dB為標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際測(cè)得的天線(xiàn)工作頻帶覆蓋了GSM900/DCS1800/PCS1900頻段,同時(shí)還覆蓋了TD-SCDMA相應(yīng)工作頻段。天線(xiàn)的主輻射單元是一個(gè)開(kāi)槽的矩形輻射片,通過(guò)添加一個(gè)接地的耦合輻射分枝,有效擴(kuò)展了天線(xiàn)的工作帶寬。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,比較了耦合輻射分枝的影響,以及主輻射單元中結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)天線(xiàn)頻率特性的影響,通過(guò)有目的的改進(jìn)和優(yōu)化,逐步提出性能良好,滿(mǎn)足具體指標(biāo)要求的多頻帶單極天線(xiàn),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)天線(xiàn)的測(cè)量得知,回波損耗和方向

2、圖的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致。 關(guān)鍵詞:單極天線(xiàn); 多頻帶天線(xiàn); 時(shí)域有限分析法; TD-SCDMA 中圖分類(lèi)號(hào):TN822 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0107-04 FDTD-based Multi-band Monopole Antenna XU Hong-jun (China Samsung Telecom R&D Center, Beijing 100125, China) Abstract: A multi-band planar monopole antenna based on finite difference domain (FD

3、TD) for TD-SCDMA/GSM dual mode handset is introduced. The antenna is calculated by FDTD to verify the design theory. The operation frequency of trial prototype with return wave loss lower than -10 dB, can meet the requirements of GSM900/DCS1800/PCS1900 and TD-SCDMA . The antenna includes one rectang

4、ular slotted patch and grounded sub-branch that expands antenna operation bandwidth. During antenna design, the effect of sub-branch and main patch structure on antenna performance are analysed. Through improvement and optimization, a good performance multi-band monopole antema which meets the requi

5、rement of specific targets is proposed. Comparing the return wave loss with radiation pattern, the measured results keep with the simulation data. Key words: monopole antenna; multi-band antenna; FDTD; TD-SCDMA 0 引 言 隨著無(wú)線(xiàn)通信中語(yǔ)音業(yè)務(wù)、窄帶和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展,具有3G功能的手機(jī)將逐步成為市場(chǎng)的主流。同時(shí),手機(jī)的設(shè)計(jì)也日新月異,對(duì)天線(xiàn)的寬頻帶特性、多頻工作及小型化要求更為苛刻

6、。目前,多模手機(jī)一般只采用一個(gè)能支持多種無(wú)線(xiàn)制式的多頻帶天線(xiàn)。多頻帶手機(jī)天線(xiàn)主要采用PIFA天線(xiàn)和單極天線(xiàn),相比其他形式的天線(xiàn),這兩類(lèi)天線(xiàn)都具有剖面低、體積小、設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn),因此廣泛用于手機(jī)等移動(dòng)通信終端上?；镜腜IFA天線(xiàn)是將倒F天線(xiàn)的水平振子改變成平面形式,從而引出了平面倒F天線(xiàn)。隨著對(duì)PIFA天線(xiàn)的深入研究,又出現(xiàn)了很多性能良好的新型PIFA天線(xiàn)。面對(duì)多模手機(jī)對(duì)多頻帶天線(xiàn)的要求,單極天線(xiàn)大帶寬和高增益更適合多模手機(jī)幾百兆帶寬的需求,而且內(nèi)置平面單極天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)靈活,易于與當(dāng)今多變的手機(jī)結(jié)構(gòu)相配合,目前市場(chǎng)流行的超薄超小手機(jī)普遍采用這類(lèi)天線(xiàn)。 多頻帶單極天線(xiàn)設(shè)計(jì)常用的多帶技術(shù)主要有多輻射

7、分枝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化饋電線(xiàn)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)1和文獻(xiàn)2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(xiàn),文獻(xiàn)3在矩形平面單極天線(xiàn)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(xiàn)。 本文提出的多頻帶單極天線(xiàn),通過(guò)在平面矩形天線(xiàn)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(xiàn)的工作頻段,能同時(shí)滿(mǎn)足TD-SCDMA制式。由于設(shè)計(jì)的天線(xiàn)可以與手機(jī)的其他電路制作在同一印制板上,因此天線(xiàn)的制作價(jià)格很低,天線(xiàn)高度非常適合超薄手機(jī)。 1 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)和仿真 傳統(tǒng)的單極天

8、線(xiàn),輻射分枝的長(zhǎng)度約為1/4波長(zhǎng)4,5。單極天線(xiàn)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(xiàn)有較低的輻射電阻rr?402(h/),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(xiàn)設(shè)計(jì)中,利用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行仿真成為天線(xiàn)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

9、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(mǎn)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(ix,jy,kz,nt)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6。? 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

10、代公式見(jiàn)式(3)式(8): ? ?×E=?H?t(1) ?×H=?E?t(2) Hnx(i,j,k)=Hn-1x(i,j,k)+1zEn-1y(i,j,k)-En-1y(i,j,k-1)-1yEn-1z(i,j,k)-En-1z(i,j-1,k)(3) Hny(i,j,k)=Hn-1y(i,j,k)+1xEn-1z(i,j,k)-En-1z(i-1,j,k)-1zEn-1x(i,j,k)-En-1x(i,j,k-1)(4) Hnz(i,j,k)=Hn-1z(i,j,k)+1yEn-1x(i,j,k)-En-1x(i,j-1,k)-1xEn-1y(i,j,k)-En-1y(i

11、-1,j,k)(5)Enx(i,j,k)=En-1x(i,j,k)+yHn-1z(i,j+1,k)-Hn-1z(i,j,k)-zHn-1y(i,j,k+1)-Hn-1y(i,j,k)(6) Eny(i,j,k)=En-1y(i,j,k)+zHn-1x(i,j,k+1)-Hn-1x(i,j,k)-xHn-1z(i+1,j,k)-Hn-1z(i,j,k)(7)  Enz(i,j,k)=En-1z(i,j,k)+xHn-1y(i+1,j,k)-Hn-1y(i,j,k)-yHn-1x(i,j+1,k)-Hn-1x(i,j,k)(8) ? 式中:?=/為介質(zhì)中的波阻抗;=vt為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)波在

12、空間走過(guò)的距離;v=1/為介質(zhì)中波的相速,其中為媒質(zhì)的介電常數(shù),?為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率7。 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8。 基本多頻帶單極天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)獲得兩個(gè)諧振頻

13、率,分別對(duì)應(yīng)900 MHz和1 800 MHz。靠近饋線(xiàn)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(mǎn)足TD-SCDMA要求,天線(xiàn)輻射單元的最終尺寸通過(guò)仿真軟件的優(yōu)化而確定。 圖1 多頻帶單極天線(xiàn)外形(單位:mm) 圖2顯示了接地寄生輻射分枝對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)僅能覆蓋GSM900和DCS1800,通過(guò)添加接地輻射分枝,有效地?cái)U(kuò)展了天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)中主輻射單元的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線(xiàn)回波

14、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(mǎn)足天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求。 圖2 多頻帶單極天線(xiàn)接地輻射分枝的影響 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(xiàn)輸入端的S11參數(shù)小于-10 dB,最終確定了天線(xiàn)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

15、天線(xiàn)結(jié)構(gòu),制作了試驗(yàn)天線(xiàn),見(jiàn)圖4。利用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5701B(頻率范圍300 kHz6 GHz) 對(duì)天線(xiàn)特性進(jìn)行了測(cè)量, 天線(xiàn)S11的實(shí)際測(cè)量頻率范圍是0.52.5 GHz。圖5給出了天線(xiàn)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(xiàn)在低頻帶的工作頻率為863973 MHz,高頻帶的工作頻率為1 6902 100 MHz;而實(shí)際制作的試驗(yàn)天線(xiàn)在低頻段的工作頻率為888990 MHz,比GSM900(890960 MHz)的工作頻帶略寬,高頻段工作頻頻率1672 200 MHz,覆蓋了DCS/PCS/TD-SCDMA(1 7102 025 MHz)的所有工作頻帶。同時(shí),從

16、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(xiàn)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(xiàn)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3 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響 圖4 試驗(yàn)天線(xiàn)原型 圖5 天線(xiàn)回波損耗 圖6比較了天線(xiàn)仿真方向圖和試驗(yàn)天線(xiàn)的測(cè)試方向圖。由仿真天線(xiàn)方向圖可知,天線(xiàn)方向圖與典型的單極天線(xiàn)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),

17、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。 圖6 天線(xiàn)方向圖比較 3 結(jié) 語(yǔ) 提出的多頻帶單極天線(xiàn)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8882 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(xiàn)能夠 滿(mǎn)足GSM900/DCS1800/PCS1900和TD-SCDMA雙模 移動(dòng)通信終端對(duì)天線(xiàn)的要求。采用經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)制作的試驗(yàn)天線(xiàn),其回波損耗能滿(mǎn)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(xiàn),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2.32.4 GHz頻

18、段,可繼續(xù)研究具有更寬帶寬的單極天線(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 1SHIN Y S, PARK S O, LEE M. A broadband interior antenna of planar monopole type in handsetsJ. IEEE Ante-nnas and Wireless Propagation Letters,2005,4:9-12. 2JING Xu, DU Zhengwei, GONG Ke. A compact multiband planar antenna for mobile handsetsJ. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2006, 5:343-345. 3LEE G Y, CHIOU T W, WONG K