应用于平板电脑的4G-LTE/WWAN天线设计

时间：2021-11-17 21:54:32

关键字：小型化多频段宽带化天线设计

[导读]摘要：随着3G网络的广泛建设以及LTE和WiMAX标准的兴起，移动通信系统正向着4G时代稳步迈进。文中提出了一种应用在平板电脑上多频段平面单极LTE/WWAN天线的设计方法，该天线结构由一个变形的L贴片和两个寄生短截线构成。天线的频段可覆盖整个LTE(LTE700/2300/2500)及五个WWAN(GSM850/900/1800/1900/UMTS)频段。其频率带宽可分为低频部分：700〜960MHz和高频部分：1710〜2700MHz,可在整个带宽内做到无缝衔接的宽带通信。该天线不仅可以实现宽频化，而且结构简单、尺寸小、易于集成。

引言

随着4G网络的兴起，移动通信产业又迎来一个高速发展的时期。移动终端设备也进一步朝着互联网在线设备的方向发展，而天线作为终端的关键部件，其性能极大地制约着终端的整体性能，传统的移动终端天线已经不能满足4G无线通信多频带和宽频化的要求。研制能覆盖LTE和原有所有通信频率的小型化天线就具有十分重要的意义。本文正是以此为背景，设计了一款应用于平板电脑的4G-LTE天线。天线的尺寸为40mmX15mm，能够产生的工作频段能覆盖所需要的700〜960MHz和1710〜2700MHz频段。目前中国移动进行的TD-LTE规模试验使用的D频段(2575〜2614MHz),最终结合F频(1880〜1900MHz)共同组建4G-LTE网络。中国联通的4G-LTE实验网络已经确定采用1800MHz的频段(1755MHz〜1785MHz，1850MHz〜1880MHz)进行测试，中国电信使用2.6GHz(2600〜2620MHz或2635〜2655MHz)为主要频率。因此，我们所设计的天线完全满足4G系统对于工作频段的要求。

1天线结构设计

由于微带天线具有薄的平面结构、便于共形、制作简单、成本低等优点，被广泛用于测量和通信行业的各个领域。本文就是基于FR4介质基板的微带天线。选用的FR4介质基板的er=4.4,损耗角正切为0.02,厚度为0.8mm。图1给出了天线的几何尺寸。

图1天线结构图

使用195mmX107mm的FR4基板加上天线高度的15mm来模拟195mmX122mm的7英寸的显示器，模拟显示器的大小可以变化，而且对天线的影响较小。天线由一个变形的倒L结构的驱动单极天线和两根寄生的辐射单元构成。天线在B点处使用50Q同轴线馈电。A点穿过介质基板与接地板相连。经过仿真优化后计算，变形倒L结构的贴片作为四分之一波长谐振结构激励起工作于1950Mhz的基本谐振模式。变形倒L结构的辐射贴片与辐射单元通过缝隙G1耦合馈电。一根辐射单元激励起工作于960Mhz的谐振模式，另一根激励起工作于760Mhz的谐振模式，同时激励起一个2550Mhz高阶谐振模。为了提高低频段的阻抗带宽，通过在接地板上插入一个宽度为2mm的L型缝隙拓展低频带宽以达到LTE700/GSM900MHz对于频段的要求。L型缝隙的高为19mm，长为47mm，距离接地板右边缘最近的距离为26.9mm。利用AnsoftHFSS软件对天线进行仿真和优化后天线结构的各个参数为：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天线制作与数据测试

通过AnsoftHFSS软件对天线尺寸进行仿真和优化，再根据优化后得到的尺寸，对该天线进行实物加工和测试，天线的加工实物如图2和图3所示。并利用矢量网络分析仪对天线实物进行测试。利用矢量网络分析仪进行实测的回波损耗如图4所示。通常我们使用-6dB的回波损耗作为移动终端天线性能好坏的区分点。通过实测的结果和仿真的对比。可以看出在我们需要的频带内，回波损耗都在-6dB以下。仿真和测试的结果整体基本吻合，在2.63Ghz，天线实测数据明显好于仿真数据，其主要原因是我们选用的低成本FR4板材的损耗角正切值是随频率增加而明显增大的，其在高频段其真实的损耗大于仿真过程预先设置的固定值。此外，还有一些重要的原因，比如天线尺寸的加工误差、同轴连接器接头的焊接精度及测量环境不稳定等客观因素都会造成损耗的增大。尽管如此，天线的设计还是基本达到了我们的预期。