小型多频带WWAN/LTE手机天线的研究与设计

摘要

近些年无线通信系统更新换代的速度不断加快，通信系统经历了从1G到4G的快速发展，并在未来将要迈向5G时代。无线通信系统的发展同时也对手机终端带来了深刻的影响，手机终端的通信速度越来越快，同时其功能也越来越多样化。手机天线作为手机终端的重要组成部件，其尺寸和性能对手机整体的外观和用户体验具有重要的影响。在手机发展的初期，手机只是作为一种日常通信的工具，人们在选择购买手机时往往更加注重它的通信性能。为了满足消费者的需求，传统手机天线必须能够覆盖较宽的商业通信频带，达到合乎工业界标准的远场辐射性能。然而，科技的进步和生活水平的提高促使消费者更加关注产品的质量，其中就包括对手机的外观提出了越来越高的要求。为了提高手机整体的视觉效果和接触手感，手机的屏幕占比不断变大；手机机身也由传统的塑料演变成现在的金属一体化。针对大屏幕手机，设计者需要尽量减小手机天线在手机内部所占用的净空区尺寸，以此预留更多的空间来安放屏幕和其他元器件。但是通信系统的发展使得通信频带不断增加和拓宽，这势必会增大手机天线所占用的空间。如何在满足手机正常通信的情况下同时减小净空区的尺寸成为了大屏幕手机设计当中的一大难题。针对金属边框手机，其优点在于将金属边框加载在手机四周不仅提高了手机整体的机械强度，同时也增强了手机的整体质感，充分满足了消费者的需求。但是其缺点也同样不可忽视，金属边框作为一个金属屏蔽结构将内部天线包围在其中，内部天线的辐射信号会被金属边框严重干扰和削弱，这样手机的综合性能将会大打折扣。因此，在设计金属边框手机天线时，如何解决金属边框对内置天线信号干扰同样也是困恼设计者的一大难题。　　针对上述手机天线设计过程中的两大难题，本论文提出不同的方案并设计了两款对应的天线：　　1、为了实现天线净空区域小型化并满足多频点和宽频带覆盖，设计出了一款基于单极子的耦合馈电手机天线。通过将不同形状、不同长度的单极子辐射枝节嵌套耦合使用，在馈电端口处加入集总元件构成匹配网络，使得所设计的天线以相对较小的净空区尺寸实现了对LTE/WWAN以及WiMAX频带的全覆盖，并有良好的远场辐射性能，这使得所设计的天线在4G和未来出现的5G无线终端应用上面具有较强的竞争性。　　2、为了解决金属边框手机天线中外部金属边框对内部天线的电磁干扰，设计出了一款能覆盖LTE/WWAN频带的金属边框手机天线。所设计的天线主要分为两部分：金属边框和内置天线。基板的四周环绕着矩形金属边框，通过倒L形馈电带对金属边框以及内部天线进行耦合馈电，金属边框用于产生低频谐振模，内置天线用于产生高频谐振模。本设计参与辐射的天线基本结构有环形结构、槽结构、单极子结构。首先通过耦合馈电，产生多种类型的谐振模。然后通过调节各辐射枝节的长度、形状和相对位置，提高天线整体的阻抗匹配，从而实现了天线的良好性能。本设计除了测试传统手机天线的各项基本性能参数之外，还考虑了人体对手机天线性能参数的影响。通过将人手握在手机上的不同位置，观察在不同位置时天线S11、增益、效率等不同参数所受到的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作

第2章 天线原理及基本参数

2.1 手机天线基本性能参数

2.1.1 阻抗特性

2.1.2 反射系数

2.1.3 驻波比

2.1.4 回波损耗

2.1.5 工作带宽

2.1.6 效率和增益

2.1.7 方向图特性

2.2 有源测试参数和SAR

2.2.1 有源测试参数

2.2.2 SAR

2.3 常见手机天线结构形式

2.3.1 单极子天线

2.3.2 缝隙天线

2.3.3 环形天线

2.3.4 PIFA天线

2.3.5 可重构天线

2.3.6 金属边框天线

2.4 手机天线多频点技术

2.5 手机天线宽带化技术

2.6 金属边框天线设计技术

2.7 本章小结

第3章 小型化多频带手机天线的研究与设计

3.1 概述

3.2 天线结构参数

3.3 天线工作原理

3.3.1 天线设计流程

3.3.2 天线各频点的电流分布

3.4 天线集总电感分析

3.5 天线结果参数

3.5.1 天线回波损耗

3.5.2 天线远场辐射性能

3.6 本章总结

第4章 七频带金属边框手机天线的研究与设计

4.1 概述

4.2 天线结构参数

4.3 天线的工作原理

4.3.1 天线设计流程

4.3.2 天线各频点电流分布

4.4 天线的参数分析

4.4.1 金属边框开槽的影响

4.4.2 倒L接地条垂直长度的影响

4.5 天线测试结果参数

4.5.1 天线方向图

4.5.2 天线回波损耗

4.5.3 天线远场性能

4.5.4 手握影响

4.6 天线性能对比

4.7 本章总结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文