摘 要

本论文主要研究设计多频段的手机微带天线。设计选用的微带天线属于线天线类型，各工作频率范围均在6 GHz以下，即非毫米波频段。微带天线虽有着剖面低、体积小、重量轻、成本低等优点，但同时也存在带宽小的致命缺陷，使得天线本身在实现宽频、多频需采用一定的技术方法，比如开槽法、耦合贴片法等。设计过程中，本文将主要结合具体仿真结果观察各个参数对天线的工作频段的影响。

本次设计的天线，要求同时满足2G、4G、5G网络的通信需求，此处选用中国联通的通信频段：2G频段选用GSM1800制式，其上行链路为1745-1755 MHz，下行链路为1840-1850 MHz；4G频段选用TD-LTE制式，其上、下行链路频率相同，均包括了2300-2320 MHz和2555-2575 MHz两个部分；5G频段选用工信部下发的IMT-2020制式，而分配给中国联通的试验频段为3500-3600 MHz。另外，本文设计的天线首先使用倒“L”形贴片来缩小总体尺寸，再结合弧形边结构改善阻抗匹配。最后，通过“L”形辐射边开槽来激发多频段。设计过程中，通过引入有关参数来完成天线的优化过程。

研究结果表明：微带天线可以通过某些形状、技术来获得良好的多频工作特性。比如，采用开槽法可以产生一个和槽的路径长相关的谐振频点；通过调节微带馈线宽度、长度可以协调各个谐振频点的阻抗匹配程度等。因此，微带天线在无线通信中有独特的优势。

关键词：多频段；手机天线；开槽法

Abstract

This paper mainly studies the design of multi - band microstrip antenna. The microstrip antenna selected in the design belongs to the type of wire antenna, and each working frequency range is below 6 GHz, that is, non-millimeter wave frequency band. Although microstrip antenna has the advantages of low profile, small volume, light weight and low cost, it also has the fatal defect of low bandwidth, which makes the antenna itself adopt certain technical methods in realizing broadband and multi-frequency, such as slotting method, coupled patch method and so on. In the design process, this paper will mainly observe the influence of various parameters on the working frequency band of the antenna by combining with specific simulation results.

The designed antenna is required to meet the communication requirements of 2G, 4G and 5G networks at the same time. The communication frequency band of China unicom is selected here: the 2G frequency band is GSM1800 standard. The uplink is 1745-1755 MHz and the downlink is 1840-1850 MHz. TD-LTE is used in 4G frequency band. The upper and downlink frequencies are the same, including 2300-2320 MHz and 2555-2575 MHz. The IMT-2020 standard issued by the ministry of information technology for 5G frequency band selection, while the experimental frequency band allocated to China unicom is 3500-3600 MHz. In addition, the antenna designed in this paper firstly uses inverted "L" shaped patch to reduce the overall size, and then improves impedance matching by combining with arc-shaped edge structure. Finally, the multi-frequency band is excited by "L" shaped radiation edge grooving. In the design process, some parameters are introduced to optimize the antenna.

The results show that the microstrip antenna can obtain good multifrequency performance by some shapes and techniques. For example, a resonant frequency point related to the path length of the slot can be generated by slotting. By adjusting the width and length of the microstrip feeder, the impedance matching degree of each resonant frequency point can be coordinated. Therefore, microstrip antenna has unique advantages in wireless communication.

Keywords: Multiband; Mobile phone antenna; Grooving method

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 研究现状和发展 1

1.3 论文内容和安排 2

第2章 微带天线原理 3

2.1 结构简介 3

2.2 辐射原理 3

2.3 性能参数 4

2.3.1 方向函数和方向图 4

2.3.2 散射参数 5

2.3.3 输入阻抗 5

2.3.4 辐射效率 6

2.3.5 方向系数和增益 6

2.3.6 频带宽度 6

2.4 本章小结 7

第3章 微带天线优化技术 8

3.1 前言 8

3.2 小型化技术 8

3.2.1 基板材料的介电常数 8

3.2.2 天线曲流技术 9

3.2.3 加载技术 9

3.3 宽带技术 10

3.3.1 降低品质因数 10

3.3.2 增加寄生单元 10

3.4 多频技术 10

3.4.1 模式正交法 10

3.4.2 多贴片结构 11

3.4.3 电抗元件加载 12

3.5 本章小结 12

第4章 天线仿真设计 13

4.1 设计原理 13

4.1.1 原理简述 13

4.1.2 原理考察 14

4.2 设计调试 16

4.2.1 预期设计目标 16

4.2.2 设计过程和实际结果 17

4.3 本章小结 20

第5章 总结和展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

天线是一种将有线高频电流或波导信号有效地转换为无线电波信号的能量转换设备，一般作为远程无线通信系统里的终端发送设备和始端接收设备使用^[1]。在通信领域，随着手机不断更新换代，手机天线也向着更优良的性能发展。随着人们需求的提高，5G时代正步步逼近，必须开放新的频段资源以满足用户的使用需求。相应地，未来的手机天线需要投入到5G无线信号传输的应用中去，因此少不了须要对其展开进一步的优化设计。

现如今，手机天线种类多样，从最初的外置天线，经过数十年的发展到如今的内置天线，不仅小到可以“藏入”手机内部，还能够通过各种技术方法，实现增加带宽、增大数据传输速率和容量等各项性能的优化，使之无论是从美观或是实用性角度，都能满足用户需求。比如早期时使用的外置单极天线形式，和偶极天线有着相似的辐射机理、辐射性能，但整体尺寸却缩小了将近一半；且为了进一步提高集成度、减小天线尺寸，现在的单极天线的辐射臂都采用了印刷式多枝节兼耦合结构。有关文献便研究了一种可工作与多谐振模式的单极手机天线，可工作于有LTE（Long Term Evolution，长期演进）和WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网络）通信技术要求的系统^[2]。

内置天线的类型也很多，像倒L天线、倒F天线、微带贴片天线、微带缝隙天线等，甚至以陶瓷作为基材的极小尺寸天线，各有其用途和优势。其中平面倒F天线^[3]和单极子天线^[4]较为主流；前者具有低SAR（Specific Absorption Ratio，比吸收率）、易阻抗匹配等优点，而后者具有尺寸小、厚度低、极易小型化等优点。再说微带天线，它的概念是在1953年被提出，后来迅速提升的通信水准对天线的要求也越来越高，而微带天线所具有的尺寸小、剖面低的优势也因此受到关注。基于价格低廉、质量较轻、多功能性等特点，本次论文选择微带天线作为优化设计的基本天线类型^[5]。不过，微带天线设计面临着带宽窄的极大挑战，导致多频的实现难以完全依赖宽带技术来完成，并且多频之间的相互协调、各个频点的输入阻抗与馈线的匹配也是目前普遍存在的技术难题。