一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線

1、一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線    摘 要:提出一種基于時域有限差分法分析的多頻帶平面單極天線,以回波損耗-10 dB為標準,實際測得的天線工作頻帶覆蓋了GSM900/DCS1800/PCS1900頻段,同時還覆蓋了TD-SCDMA相應工作頻段。天線的主輻射單元是一個開槽的矩形輻射片,通過添加一個接地的耦合輻射分枝,有效擴展了天線的工作帶寬。在設計過程中,比較了耦合輻射分枝的影響,以及主輻射單元中結(jié)構(gòu)尺寸的變化對天線頻率特性的影響,通過有目的的改進和優(yōu)化,逐步提出性能良好,滿足具體指標要求的多頻帶單極天線,通過對試驗天線的測量得知,回波損耗和方向

2、圖的測量結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致。 關鍵詞:單極天線; 多頻帶天線; 時域有限分析法; TD-SCDMA 中圖分類號:TN822 文獻標識碼:A 文章編號: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 隨著無線通信中語音業(yè)務、窄帶和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展,具有3G功能的手機將逐步成為市場的主流。同時,手機的設計也日新月異,對天線的寬頻帶特性、多頻工作及小型化要求更為苛刻

6、。目前,多模手機一般只采用一個能支持多種無線制式的多頻帶天線。多頻帶手機天線主要采用PIFA天線和單極天線,相比其他形式的天線,這兩類天線都具有剖面低、體積小、設計方便等特點,因此廣泛用于手機等移動通信終端上?；镜腜IFA天線是將倒F天線的水平振子改變成平面形式,從而引出了平面倒F天線。隨著對PIFA天線的深入研究,又出現(xiàn)了很多性能良好的新型PIFA天線。面對多模手機對多頻帶天線的要求,單極天線大帶寬和高增益更適合多模手機幾百兆帶寬的需求,而且內(nèi)置平面單極天線的結(jié)構(gòu)靈活,易于與當今多變的手機結(jié)構(gòu)相配合,目前市場流行的超薄超小手機普遍采用這類天線。 多頻帶單極天線設計常用的多帶技術(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載,輻射貼片開槽,調(diào)整輻射片形狀,增加電流密度獲得的高階模式。文獻1和文獻2采用多個輻射分枝的結(jié)構(gòu),提出了兩典型的多分枝單極天線,文獻3在矩形平面單極天線的內(nèi)部,嵌入一個彎曲的切槽,實現(xiàn)GSM/DCS/PCS三頻帶天線。 本文提出的多頻帶單極天線,通過在平面矩形天線上開槽,實現(xiàn)GSM/DCS/PCS頻段,同時通過一接地耦合輻射片,有效拓展了天線的工作頻段,能同時滿足TD-SCDMA制式。由于設計的天線可以與手機的其他電路制作在同一印制板上,因此天線的制作價格很低,天線高度非常適合超薄手機。 1 天線的設計和仿真 傳統(tǒng)的單極天

8、線,輻射分枝的長度約為1/4波長4,5。單極天線的輻射電阻和輻射場,可以利用鏡像原理來計算。簡單單極天線有較低的輻射電阻rr?402(h/),電抗為大的容性。對于無窮大地其輻射圖等同于偶極子,如果將地逐步縮小,將無法形成理想鏡像,地面的電流分布將發(fā)生變化。在現(xiàn)代天線設計中,利用電磁場仿真軟件對天線進行仿真成為天線設計的主要方式。本文使用的電磁場仿真軟件采用時域有限差分法,在時域進行計算。由于激勵信號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,可以通過一次計算得到計算對象所需頻帶寬度內(nèi)的特性,因此特別適合寬帶問題的研究。 利用時域有限差分法分析電磁場時,首先將計算空間劃分成有限網(wǎng)格,每一

9、電場分量由四個磁場分量環(huán)繞,每一磁場分量亦由四個電場分量環(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行差分運算,而且可以恰當?shù)孛枋鲭姶挪ㄔ诳臻g的傳播過程。將麥克斯韋旋度方程在上述空間網(wǎng)格和時間上進行離散,用下面的符號來表示任意場分量F在點(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;t是時間步長;i,j,k為整數(shù),因此可用具有二階精度的差分運算來替代微分運算6。? 為了便于計算編程,空間和時間的編號為整數(shù)值,可得到無源區(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為一個時間步長波在

12、空間走過的距離;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)的磁導率7。 采用數(shù)值計算空間總是有限的。為了在有限空間中計算電磁場量,需要對有限空間的周圍邊界做特殊處理。在FDTD中使用PML(Perfect Match Layer)技術(shù),可以將計算區(qū)域設置為真空,在計算區(qū)域內(nèi)存在散射體和外向波,計算區(qū)域由PML吸收媒質(zhì)包圍,PML媒質(zhì)之外是理想導體8。 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開槽形成兩個輻射分枝,這兩個輻射分枝長度不同,通過調(diào)整輻射分枝的長度,可得天線獲得兩個諧振頻

13、率,分別對應900 MHz和1 800 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仿真軟件的優(yōu)化而確定。 圖1 多頻帶單極天線外形(單位:mm) 圖2顯示了接地寄生輻射分枝對天線工作頻帶的影響。從圖2(a)可以看出,沒有接地輻射分枝的情況下,天線僅能覆蓋GSM900和DCS1800,通過添加接地輻射分枝,有效地擴展了天線的工作頻帶。圖2(b)顯示了接地輻射分枝的長度L3對天線高頻帶的影響。通過調(diào)整其長度,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)尺寸對天線回波

14、損耗的影響如圖3所示。圖3(a)顯示,長輻射分枝的長度L2越長,900 MHz工作頻帶的中心頻率下移,工作帶寬變窄,同時1 800 MHz的工作頻率也變低,導致帶寬變寬;圖3(b)顯示,調(diào)整短輻射分枝的長度L1,對900 MHz的工作頻帶基本無影響,而1 800 MHz的工作頻帶下限變低,加寬了工作帶寬。通過軟件優(yōu)化,獲得了最佳的結(jié)構(gòu)尺寸,可滿足天線的設計要求。 圖2 多頻帶單極天線接地輻射分枝的影響 2 數(shù)據(jù)仿真和試驗結(jié)果 通過上述仿真分析,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

15、天線結(jié)構(gòu),制作了試驗天線,見圖4。利用Agilent矢量網(wǎng)絡分析儀E5701B(頻率范圍300 kHz6 GHz) 對天線特性進行了測量, 天線S11的實際測量頻率范圍是0.52.5 GHz。圖5給出了天線S11的測量結(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863973 MHz,高頻帶的工作頻率為1 6902 100 MHz;而實際制作的試驗天線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,從

16、圖中可以看出,實際的測試結(jié)果與仿真的數(shù)據(jù)相比,實際制作的天線在GSM900比較吻合;在DCS/PCS/TD-SCDMA高頻帶,測量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)略有一定偏差,試驗天線在1 860 MHz有一個諧振點,此外寄生輻射分枝的諧振頻率相對變高。 圖3 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響 圖4 試驗天線原型 圖5 天線回波損耗 圖6比較了天線仿真方向圖和試驗天線的測試方向圖。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際測試的方向圖,由于測試數(shù)據(jù)的波動,

17、導致兩者形狀差別很大,但實測方向圖與仿真數(shù)據(jù)相比在幅度上基本一致。 圖6 天線方向圖比較 3 結(jié) 語 提出的多頻帶單極天線采用一開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)能獲得多個諧振頻率,因此設計天線能夠 滿足GSM900/DCS1800/PCS1900和TD-SCDMA雙模 移動通信終端對天線的要求。采用經(jīng)過仿真優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)制作的試驗天線,其回波損耗能滿足設計要求,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,可進一步研究距離縮短導致帶寬變窄的改善措施,同時,考慮未來通信可能使用2.32.4 GHz頻

18、段,可繼續(xù)研究具有更寬帶寬的單極天線。 參考文獻 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