具有蓝牙功能的三频单极子手机天线仿真分析

1  引言

随着现代通信的发展和IEEE 802. 11b/ g (2.4 GHz～2.48 GHz) 标准的提出,蓝牙通信技术得到了迅猛的发展。现在，除手机外，许多电子厂商在多种产品中都集成了蓝牙功能，如笔记本、MP3，甚至电视机等等，且由于蓝牙通信协议的统一标准，它们都能与蓝牙手机进行无障碍实时通信，蓝牙通信平台已经日渐壮大，因此蓝牙已经是现代手机不可或缺的主要功能之一。伴随着手机小型化的发展，具有蓝牙通信频段的小型化内置手机天线也必将得到广泛应用。

本文利用单极子天线可折叠、宽带宽、H面全向等优点，利用DESIGNER软件防真，设计了一款具有三个工作频带的小型化单极子手机内置天线。天线的工作频率完全覆盖了GSM900M（890MHz~915MHz），DCS1800M（1.71GHz~1.88GHz），Bluetooth（2.4 GHz ~2.48 GHz）的所有频率。而且，由于采用空间折叠的方法，天线尺寸得到了有效的减小，天线主体尺寸仅为20mm×10mm×5mm，非常适用于小型化内置手机天线。

2  天线设计

对于内置天线来说，手机电路板对天线谐振频率的影响是不可忽略的。因此手机内置天线的设计必须考虑电路板存在的影响。这里使用接地的RF4基带板来模拟手机电路板，电路板的设计尺寸为90mm×45mm，基版背面的接地板尺寸为76mm×45mm，天线位于电路板的右上方，具体位置如图1所示。图2为天线主体部分结构示意图。在仿真中，天线通过背面同轴接头实现馈电，实际中也可以从电路板上的微带接头处直接馈电。

图1  手机基版及天线位置示意图

(a) 右侧面

(b) 左侧面

图2  天线结构示意图

单极子天线设计中，首先要确定天线贴片最大电尺寸，保持在最低工作频率的四分之一波长附近。之后，将天线在一定空间上进行折叠，一般单极子贴片天线都会出现两个谐振频率：二分之一波长谐振和四分之一波长谐振。然后，在折叠天线上添加另一个四分之一波长谐振枝节，实现第3个谐振频率。加入此枝节后，会令第一谐振频率向低频移动，适当减小贴片长度使第一个谐和第三个谐振频率固定在所需要频率处，这里设计频率为0.9GHz和2.45GHz。

天线的第一谐振频率为四分之一波长谐振，第二个谐振频率因折叠方式的不同而发生变化，一般为四周折叠的尺寸比例越大频点越高。而当此谐振点大于所需频率时可在侧面加枝节来拉低谐振频率，如图2所示枝节B即为调节第二谐振频率的匹配枝节。这里所设计的天线在侧面无枝节时两个谐振频率分别为0.9GHz和1.97GHz，在左侧面加枝节B后可将第二谐振点调节至1.8GHz。

调节枝节B的位置、尺寸都会对第二谐振频率产生影响，枝节越宽、越长谐振频率越低。图3给出了枝节为不同长度时（3.2mm宽）天线的驻波比参数。图4给出了枝节为不同宽度时（5mm长）天线的驻波比参数。

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图3  调整枝节长度对中间频段的影响

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图4  调整枝节宽度对中间频段的影响

从图中可看到，当枝节宽度W由窄到宽变化时，第二谐振频率由高到低依次变化，第一与第三个谐振频率变化很小。而枝节宽度取适当值时，长度由0到5mm变化过程中，第二谐振频率是从1.97GHz至1.8GHz逐渐降低的（L=0mm表示无枝节）。而且，在调节B枝节长度来调整节第二个谐振点时对第一谐振频率影响很小，虽然对天线设计的2.4GHz频率有一定的影响，但频率偏移较小，且蓝牙工作频带都在VSWR<2.5内，也可以忽略。

这里就可以根据所需天线工作频率，来确定B枝节长度和宽度，由于所设计的天线需要工作于DCS1800M频段，所以可以选择枝节长为5mm、宽3.2mm。

天线包含有两个谐振枝节。最长的天线枝节对应于GSM900M的四分之一波长，枝节处产生双模谐振即四分之一波长谐振模式和二分之一波长谐振模式，分别对应于GSM900M、DCS1800M，A枝节形成第三个谐振频率Bluetooth，从而得到三频段天线。天线谐振时的电流分布如图4所示，从图中可以清楚地看到天线的工作原理。

（a）0.9GHz电流图

(b) 1.8GHz电流图

(c) 2.4GHz电流图

图4  谐振电流分布图

3  天线性能分析

该天线为单极子天线，利用空间弯折线来充分利用空间来实现小型化。天线折叠在置于电路板右上方的介电常数为4.4的FR4立方体介质四周。空间折叠用多枝节谐振和多模谐振来实现所需三频段。天线C处贴片宽度为4.0mm，A枝节宽度为1.5mm，B枝节宽度为3.2mm，除此之外帖片宽度均为2.0mm，天线主体部分具体尺寸分别如图2（a）和（b）所示。

天线三个频段(VSWR<2.5)带宽分别为38MHz（887MHz-925MHz）、179MHz（1.706GHz-1.884GHz）和256MHz（2.363GHz-2.619GHz），完全覆盖了GSM900M、DCS1800M、Bluetooth的所有工作频率，图5为天线的驻波比仿真示意图。

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图5  天线驻波比仿真示意图

天线的方向图计算结果如图6所示。从图6(a)和图6(b)方向图与一般的单极子的方向图非常类似，方向图的全向性非常好，另外两个频点的方向图与0.9GHz处的方向图有着相似的结果。

图6  天线方向图仿真

4  结论

本文提出了一种简单有效的三频单极子内置手机天线的设计方法，并设计了一个具有蓝牙功能的三频段单极子手机天线，天线结构简单而紧凑，天线的工作频段完全覆盖了GSM900M、DCS1800M和Bluetooth三个频段，并且可以通过改变天线某部分的尺寸来得到不同频率的谐振，使天线工作于不同频带，设计简单。在手机功能越来越丰富的今天，该天线可以在一定程度上满足用户的需求。