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用于八频带智能手机的新型可重构金属边框集成开槽天线
摘 要
本文提出了一种新型可重构开槽天线，用于 LTE智能手机端，覆盖了698-960 MHz和1710-2690 MHz的宽频带。天线位于手机的底部，并集成于金属边框，从而占用较小的空间并为移动电话提供机械稳定性。变容二极管用于覆盖较低频段的频率，从而实现良好的频率覆盖和天线小型化。研究了天线的工作原理，并对最终设计进行了优化、制造和测试。在自由空间内，它实现了在工作频带内所需的阻抗带宽和最小50%的总效率。还研究了天线对手机部件和人手的影响。此外，研究了天线对于人体头部的SAR，发现其在允许的SAR范围内。最后提出了一种具有高隔离度的多输入多输出天线结构；它有一个相同的可重构开槽天线集成在手机的顶部边缘，用作698-960 MHz和1710-2690 MHz的辅助天线。因此，该天线是LTE智能手机和移动设备的理想选择。
索引词——LTE/WWAN天线，金属边框，MIMO，开槽天线，可重构天线，SAR，总效率。
一、介 绍
近年来，已经在全世界开发和部署了许多用于不同工作频率和通信协议的无线通信系统。为了提供这些服务，手机中的天线应覆盖多个频段。另外，由于兼具窄边框的大显示屏特性已成为现代手机的主流，而且安置天线的空间非常有限。因此，设计一种具有小尺寸的多频带、宽频带的移动端天线，不仅是必然要求，而且是一项重大的技术挑战。天线必须能够覆盖698-960 MHz和1710-2690 MHz频段，其中包括了LTE700，GSM850，GSM900，GSM1800，GSM1900，UMTS， LTE2300和LTE2500频段。此外，天线必须在这些频段内实现最低50%的总效率。研究人员使用不同的设计原则进行了许多有趣的设计。在过去二十年中，有大量关于手机内部天线创新的刊物出版，例如单频段PIFAs[1][2]、双频段PIFA[3]、电容加载[4]、短路技术[5]、电容馈电[6]、寄生单元[7]，并结合了不同的加载技术[8]、谐振槽[9][10]、环形天线[11]和有源天线[14]。
金属边框智能手机也变得具有吸引力，因为金属框增加了手机的机械强度和美学外观。如果不对金属边框进行相应修改，传统的内置天线，如PIFA，单极天线，环路天线等天线的性能将受到不利影响，从而难以实现宽带性能[15][16]。之前已经尝试了许多方法来将金属边框集成到手机中。其中的一种方法，就是通过插入多个缝隙和接地板来使得金属边框效应最小化[16]。缝隙和贴片的位置须要仔细地调整。这种方法的缺点是通过在金属框架中产生多个间隙，使得其机械稳定性受到了损害。此外，该方法中使用的内置天线，在手机的底部占用了大量空间。在文献[12]和文献[13]中，金属边框被引入了两个缝隙，通过产生共振以覆盖低频部分。在握在用户手中的情况下，缝隙的存在会使天线性能下降。而另一种方法，则在系统接地面的底部引入了15.5times;56.5mm2尺寸的缝隙天线[17]。缝隙天线由馈电带供电，可以覆盖GSM850/900、DCS、PCS、UMTS2100工作频段。这不是一个宽带解决方案，不能覆盖整个698-960 MHz和1710-2690 MHz频段。在另一种设计中，IFA结构与接地平面中的缝隙被用来覆盖GSM850/900、DCS、PCS、 UMTS2100、LTE2300/2500工作频段[18]。较低频带的带宽不足以覆盖LTE700，并且低频带不可能实现多天线配置。而另一种应用于笔记本电脑的开槽设计，使用了两个独立的馈源来激励天线[19]。平板电脑上的开槽天线[20][21]具有较大的离地间隙，不适合现代手机使用。在最近的另一个在已公布的设计中，PIN二极管用于通过切换状态来执行重新配置[22]。这是一个非常有前途的设计，但只涵盖部分较低的频段。由于框架结构复杂，为智能手机的金属边框集成设计多频带、宽带天线绝对具有挑战性。为了缓解这一问题，提出了一种可重构的开槽天线，由L形微带馈线馈电，能够支持八频段工作。开槽天线可以通过激励其基本模式实现小型化。此外，槽可以很容易地与金属边框集成。最大的成就是，所提出的天线可用多天线实现，以覆盖较低频带和较高频带，并且天线之间的相关性非常低。该天线的净空尺寸为11毫米，这对现代智能手机是有利的。变容二极管用于重新配置，从而产生多种状态。因此，可重新配置的开槽天线覆盖了整个698-960 MHz和1710-2690MHz。在第二节中，介绍了所提出的天线结构和工作原理。第 三部分则详细研究了一些重要的设计参数。另外，总效率、反射系数详见第四节，并研究了用户的手的影响、手机组件的影响和天线SAR值，结合了最新的天线设计，对所提出的天线的性能进行了研究。在第五节中，提出了具有高隔离度的多天线结构的实现。第六部分给出了一些结论，表明了这项研究的成果。
二、天线结构和工作原理
A.天线结构
在本节中，介绍了可重新配置的开槽天线的设计。图1(a)展示了所提出用于LTE /WWAN的金属边框智能手机天线的几何结构，其详细结构和优化尺寸如图1(b)所示。如图1(a)所示，系统使用相对介电常数为4.4、损耗角正切角为0.02、厚度为0.8mm、尺寸为150times;74mm2的FR4基板作为系统的电路板。在它周围是高7毫米，厚1毫米的金属边框。PCB和金属边框之间没有间隙，这反过来又增加了系统的机械强度。尺寸为130times;74 mm2的接地平面用作智能手机的接地平面。图1(a)所示的设计中，在系统电路板上有一倒置的非对称T形宽槽。该槽打开了与接地面相连接的金属边框。如图1(b)所示，所提出的可重新配置的开槽天线主要包括了在FR4基板对面的L形馈电带、变容二极管支路以及在金属边框顶部的缝隙。并连接50欧姆SMA连接器以向天线馈电。在馈电带背面添加可变电容、变容二极管支路可用于调整整个较低频段。变容二极管需要适当的偏置才能工作。PCB位于金属边框的中心，如图1(c)所示。
金属边框的主要部分短接到接地平面，从而增加了机械稳定性。金属边框中的开口槽填充有FR4，以增强结构刚性。由金属边框包围的间隙为6mm的槽由L形带激励。低频段只有一种谐振模式，较高频段有两个共振模式。馈电带引入了电容负载。可以通过改变馈电带的长度来控制所有的三个谐振模式。较低频带中的谐振频率由T形槽左半边的L槽长度决定，长为50mm，如图1(d)所示。从而在自由空间中形成了在约0.92GHz处谐振的开槽天线。在较高频带中有两个谐振频率，其中一个大约为1.54 GHz，是由于左半边L槽之上的金属条，长为为42mm，从而产生大约四分之一波长的IFA模式；另一个谐振频率在2.5 GHz左右，由T形槽右半边的L槽长度决定，长约28mm，形成了另外一个开槽天线，同样谐振在该长度的四分之一波长处。
设计、制造并测试了所提出的可重构开槽天线以验证其工作原理。具有用于变容二极管的偏置拓扑结构的制造天线如图2所示。 该模型中的槽填充有FR4，但未在图2中标出。两个变容二极管以背靠背的结构串联排列。背靠背结构克服了射频调制调谐电压的问题，因为这种效应被抵消了。随着射频电压上升，一个 二极管上的电容将增加，另一个二极管的电容减小。背对背结构还使单个二极管的电容减半，因为来自两个二极管的电容彼此串联。因此，该配置的等效变容二极管电容为Cd/2。制造该变容二极管的是英飞凌BB857-02V H7902。直流电压直接馈入变容二极管，电压变化范围是1-30V。可达到的最小等效变容二极管电容为0.4pF，最大可达到的等效变容二极管电容为3pF。这些值不足以覆盖所需的调谐范围，但足以验证其工作原理。本文用变容二极管验证了可变电容器的工作原理。还有其他解决方案，如数字调谐电容器，它使用的是较低的电源电压，并可进行编程。另一种选择是使用一组固定电容器的开关来实现可重构，这种重构被应用于商业设备中的一些自适应匹配电路中。
B.工作原理
通过四种参考天线的设计，可以更清楚地理解其工作原理。初步考虑所提出的没有变容二极管之路的天线。众所周知，闭合缝隙天线在二分之一波长处谐振。但是如果打开相同的槽，则天线将在四分之一波长而不是二分之一波长处谐振，这导致了尺寸减小。FR4衬底引起负载效应使缝隙天线谐振波长降低到0.16lambda;。
如图3所示，参考文献[1]展示了一种封闭的缝隙天线，其周长为84 mm，在系统接地平面上开槽，并使用直接馈电激励。由于半波长的槽模式，天线预计会在3.5 GHz左右的频率下谐振，这可通过仿真来验证。在参考文献[2]中，闭合缝隙天线由 L形馈电带供电。由于引入了电容馈电带，在1.5GHz附近可观察到谐振。然而，该共振的阻抗匹配很差。现在在金属边框中引入了一个槽，槽周长几乎保持不变，如图3中的参考文献[3]所示。在0.92 GHz和1.8 GHz处有两个共振频率，如图3中的反射系数结果所示。这分别是由0.16lambda;模式和0.25lambda;模式引起的。因此，槽的引入在低工作频带中产生了谐振频率。在如图3所示的参考文献[4]中，我们将槽保持在金属边框中并进一步增加接地平面中的槽长度。由于0.25lambda;模式，在2.54 GHz处产生额外的谐振频点。低频带中的谐振不受影响，因为馈线右侧的额外槽长度对0.16lambda;模式没有贡献。文献[4]的设计能够覆盖六个波 段。现在在设计中引入了变容二极管支路，将能够通过改变变容二极管电容来调谐窄带宽的低频带谐振频率，使宽带成为可能。通过改变偏置电压来改变变容二极管的电容。该调谐能力使得天线可重构，并使所提出的天线能够覆盖八个频带LTE700、GSM850/900、DCS、PCS、UMTS2100、LTE2300/2500。本文提出的天线，对于各种变容二极管电容值，其模拟出的反射系数结果如图4所示。
无变容二极管支路的天线[3]在谐振频率下的电流分布如图5所示。馈电分支在所有三个谐振频率中都有强电流。在0.92GHz时，电流集中在左侧的插槽周围；在1.54 GHz时，电流集中在馈电带上；在2.5 GHz时，电流集中在开口槽的右端。
所提出的天线具有三种形式的电容性负载，分别由电容性馈电、变容二极管和边缘槽尺寸产生。电容馈电的位置和长度决定了馈电产生的电容负载。随着电容馈电的长度增加，电容负载也增加，这也降低了三个谐振频率。变容二极管的容性负载仅影响低频带频率，如图4中的回波损耗图所示。随着与变容二极管相关联的电容增加，谐振频率降低。通过改变边缘缝隙的间隙，可以微调第一和第三谐振频率。它还影响第二谐振频率的阻抗匹配，如图9所示。随着边缘缝隙的间隙增加，与边缘缝隙的间隙相关的电容性负载就会减小，因此第一和第三谐振频率增加。
在不考虑电容负载的情况下，建立了天线的设计方程。为方便理解，初始参数可以根据给定的方程设置，其变量如图1(d)所示。其中lambda;1，lambda;2和lambda;3分别对应于0.92GHz、1.54GHz和2.5GHz的共振频率。然后可以参数优化确定最终尺寸。
三、设计参数研究
了解设计参数对天线性能的影响是有必要的。为了优化天线性能，需要研究一些重要的设计参数及其影响。在不考虑变容二极管支路的情况下分析这些参数。
A.馈电位置的影响
图6显示了不同的馈电位置的影响。从谐振频率处的电流分布可以看出，改变馈电位置会影响由于电容负载引起的较低频带的谐振频率。随着馈电带向右移动，较低频带中的谐振频率降低。第二谐振频带的阻抗匹配IFA模式产生的频率取决于馈电带的位置。当馈电带向短路端移动时，阻抗匹配得到改善；当馈电带向开路端移动时，阻抗匹配恶化。这符合IFA原则。
B.槽长的影响
图7展示出了参考天线的模拟反射系数结果，该反射系数与金属边框槽左侧的接地平面缝隙的长度有关。随着缝隙长度的减小，由于Lslot1的减小，低频带谐振频率按预期的那样增加。而高频段频率没有发生明显变化。
C.槽宽的影响
参考天线的反射系数随槽宽度的变化如图8所示。槽宽是一个重要参数，因为它决定了所需的离地间隙面积。随着槽的宽度增加，阻抗匹配在较高频带中得到改善。在低频带中，谐振频率随着槽宽度的增加而略微降低。这是因为截面的增加而略微增加了缝隙的周长。在高频段， 四分之一波长谐振模式因负载效应而向下移动。槽宽应为1.54 GHz波长的一部分，以保持良好阻抗匹配。
D.边框切割尺寸的影响
另一个重要参数是金属边框上槽的尺寸。金属边框间隙中存在电容，该电容将阻止低频。槽的大小控制电容随着槽尺寸的增加而减小。根据文献[19]，谐振频率可表示为：其中f是天线的谐振频率，L是有效电感，C为与天线相关的有效电容。因此，随着边缘槽的尺寸增加，较低频带的共振频率增加。类似地由于边缘槽增加，四分之一波长模式在较高频带处的谐振增加。而且，随着边缘槽的尺寸增加，较低频带的带宽逐渐改善。但是出于实际目的，希望槽尺寸尽可能小。
E.馈电带长度的影响
这里还分析了L形馈电带的长度的影响。随着馈电带长度增加，所有三个谐振频率都降低。这是由于馈电产生电容负载。随着电容负载增加，谐振频率降低。
F.附加槽的影响
如图11中黑色虚线标注的一个附加槽，改善了较低频带中的带宽。增加的槽工作在0.5lambda; 低频段模式，并在较高频段产生1lambda;的高频模式。通过将由添加的槽所生成的0.5lambda;模式与0.16lambda;模式合并，
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资料编号：[2056]
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