基于CRLH TL的小型化宽频带手机天线设计Word格式文档下载.docx

基于CRLH TL的小型化宽频带手机天线设计Word格式文档下载.docx

《基于CRLH TL的小型化宽频带手机天线设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CRLH TL的小型化宽频带手机天线设计Word格式文档下载.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

A文章编号：

1006-1010（2014）-10-0074-05

　　DesignofMiniaturizedBroadbandPhoneAntennaBasedonCRLHTL

　　YULei,HUANGBin-ke,NIECheng-cheng

　　（TheSchoolofElectronicandInformationEngineering,Xi'

anJiaotongUniversity,Xi'

an710049,China）

　　[Abstract]Inthispaper,theminiaturizedbroadbandphoneantennaisdesignedbasedoncompositeright/left-handedtransmissionline（CRLHTL）zeroth-orderresonant（ZOR）mode.ThelowfrequencyofthisantennaisdeterminedbythelongerZORantenna,whilethehighfrequencyisdeterminedbytheshorterZORantenna.Theright-handedmodeofthelongerZORantennaandtheZORmodeoftheshorteronecanbemergedtoextendthebandwidthofhighbandiftheirresonantfrequenciesareadjacent.TheantennacoversGSM900,PCS,UMTS,BluetoothandISM2400frequencybands.Itsthicknessisonly1mmanditsareais37×

15mm2.Thetestresultsagreewellwiththesimulationresults,whichmeetstherequirementsofmobilecommunicationterminalsforphoneantennas.

　　[Keywords]CRLHTLphoneantennasZORmodebandwidthextension

　　1引言

　　手机通信中通过天线实现调制到射频频率信号的发射和接收，因此，没有了天线就没有了移动通信。

传统的手机天线有单极子、螺旋天线、贴片天线和平面倒F天线等，这些天线有一个共同点，即它们的谐振频率与天线的物理尺寸有关，不易进行小型化和宽频带的设计。

为了克服这些问题，本文采用CRLHTL设计手机天线。

　　CRLHTL是一种人工实现的超材料结构，它的零阶谐振模式和左手谐振模式与天线的物理尺寸无关，只与天线寄生的集总参数有关。

基于这种特性，在保证天线性能的情况下，可以实现小型化和宽频带。

另外，CRLHTL还具有损耗小、频带宽和易于实现的优点，因此广泛应用于微波器件和天线设计中[1-2]。

　　近年来，将基于CRLHTL零阶谐振模的天线应用于移动通信手机系统中[3-4]，在天线低频段覆盖GSM850，高频段覆盖DCS、PCS和UMTS频段。

由于单个谐振模的带宽有限，不能满足移动通信对带宽的要求，基于CRLHTL的两个零阶谐振模谐振在相邻的频率点上，频带相互融合从而扩展手机天线的带宽[5]；

另外，对于CRLHTL网络，多个谐振模式共存，可以将相邻的模式融合来扩展频带，文献[6]中将零阶模与负一阶模融合以增强手机天线的带宽。

　　本文基于CRLHTL零阶模理论设计了小型化多频带的手机内置天线。

天线的厚度仅为1mm，可同时覆盖GSM900（890―960MHz）、PCS（1850―1990MHz）、UMTS（1920―2170MHz）、Bluetooth（2400―2485MHz）、ISM2400（2400―2550MHz）五个移动通信频带。

　　2零阶谐振模理论

　　如图1所示，典型的CRLHTL等效电路是由串联电容、串联电感、并联电容和并联电感组成。

　　图1CRLHTL的等效电路

　　对于有耗CRLHTL，其电抗和导纳可以表示如下：

（1）

（2）

　　其中，R、G分别为有耗CRLHTL的串联电阻和并联电导。

由串联电容、电感和并联电容、电感组成支路所对应的谐振频率分别为：

　　（3）

　　（4）

　　由N个CRLHTL单元级联而组成的周期结构可称为LC网络，对于终端开路的CRLHTL，各个谐振模式发生在[7]：

　　（5）

　　其中，l、n、N分别为CRLHTL的物理长度、谐振模数和单元数。

　　如图2所示，非平衡的CRLHTL有两个不相等的零阶谐振频率ωse和ωsh。

　　图2CRLHTL的色散曲线

　　对于终端开路传输线，ZL=∞，从CRLHTL的始端看进去的输入阻抗为：

　　（6）

　　其中，Y＇shunt是CRLHTL的单元的导纳。

由式（6）可见，对于终端开路的CRLHTL，其输入阻抗只与单元的并联导纳的倒数和单元数有关，则平均电能储存在电容CR中，平均磁能储存在电感LL中，因此有：

　　NCR（7）

　　（8）

　　传输线谐振时满足We=Wm，则对应的品质因数为：

　　（9）

　　对于终端开路的CRLHTL，带宽与品质因数的关系为：

　　BW（10）

　　由式（10）可以看出，在同时增大并联电感LL和减小并联电容CR并保持并联谐振频率不变时，可使零阶谐振模的带宽有效扩宽。

　　3基于CRLHTL零阶模的天线设计

　　本文基于CRLHTL单元实现手机天线设计。

　　如图3所示，A和B为辐射金属贴片；

F为曲折馈线，印制在PCB板的上侧；

C和D为曲折短路线，印制在PCB板的下侧；

E为馈电端口；

G为连接上侧辐射金属贴片和下侧曲折短路线的金属过孔。

该天线可视作由两个相反方向上的零阶谐振天线组成。

由辐射金属贴片A、金属过孔和连接地面的曲折短路线C组成的零阶谐振天线工作在较低的频段；

由辐射金属贴片B、金属过孔和连接地面的曲折短路线D组成的零阶谐振天线工作在较高的频段。

馈线F与辐射金属贴片A和B之间的间隔提供串联（左手）电容CL，曲折短路线C和D提供并联（左手）电感LL，辐射金属贴片A和B工作在右手模式提供串联电感LR和并联电容CR。

由零阶谐振模理论可知，零阶模的谐振频率及带宽扩展由并联参数决定，在天线结构允许的情况下，并联电感LL应尽量大些。

对于固定的辐射金属贴片A和B，通过调节曲折金属线C和D的长度来调节谐振频率。

辐射金属贴片A和曲折短路线C的高阶模式也工作在高频段，其谐振频率由馈电点到曲折短路线C连接地面的短路点之间的总长度决定。

通过合理设计，可以与辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振模融合，从而扩展高频带宽。

曲折馈线等效于一个带阻滤波器，可减小由BD组成的零阶谐振天线对由AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。

　　图3基于CRLHTL零阶模天线的设计

　　4结果分析

　　该天线的尺寸参数和基本结构如图4所示。

天线印制在介质FR4（εr=4.4）表面，介质板的整体尺寸为40×

100×

1mm3，其中天线所占面积为37×

馈线的宽度为0.5mm，曲折短路线的宽度为0.4mm，金属过孔的半径为0.2mm，天线使用特征阻抗为50&

#8486;

的同轴线馈电。

　　天线在不同频点上的电流分布如图5所示。

　　图5（a）是频率为930MHz的电流分布图，天线上的电流集中分布在由辐射金属贴片A和曲折短路线C组成的零阶谐振辐射部分。

图5（b）、图5（c）、图5（d）分别是频率为1900MHz、2080MHz和2500MHz的电流分布图，可见天线的电流分布由两部分组成：

一是由辐射金属贴片B和曲折短路线D组成的零阶谐振辐射部分；

二是从馈电点到曲折短路线C的短路点这一路径，为高阶谐振模式。

由此可见，在高频区域，天线的谐振带宽是由BD部分的零阶谐振模式和AC部分的高阶模式融合而实现带宽扩展的。

　　基于CRLHTL零阶谐振模天线的反射系数如图6所示。

　　图6（a）中分别对只有AC组成的零阶谐振天线、BD组成的零阶谐振天线和整个天线进行仿真设计。

由此可以看出，AC部分的谐振在低频段，高频段也有一定的谐振；

BD部分的谐振在高频段，低频段几乎无谐振；

整个天线在高低频均有谐振，在S11≤-6dB的情况下，带宽覆盖GSM900、PCS、UMTS、Bluetooth和ISM2400五个移动通信频段。

AC组成的零阶谐振天线与整个天线相比可以看出，低频段的零阶谐振几乎无变化，这说明曲折馈线可以有效地减小BD组成的零阶谐振天线对AC组成的零阶谐振天线零阶模的影响。

图6（b）为基于CRLHTL的手机天线的仿真结果与测试结果的反射系数，测试结果与仿真结果基本吻合，满足移动通信对带宽的要求。

　　天线在水平面上（xoz或H面，坐标见图4）的增益方向图近似全向，在工作频带上均满足移动通信对手机内置天线的要求。

　　5结论

　　本文基于CRLHTL零阶模设计实现了覆盖五个移动通信频带的手机天线。

天线的厚度为1mm，所占面积为37×

15mm2，与传统的PIFA天线相比，基于CRLHTL零阶谐振模的天线具有低剖面、小型化和易于集成的优点。

该天线工作带宽的仿真结果与测试结果基本吻合，满足移动通信对手机天线的性能要求。

　　参考文献：

　　[1]龚建强,褚庆昕.基于CRLH传输线结构实现平面微波器件的小型化[J].微波学报,2009,25

（1）:

60-63.

　　[2]杜国宏,唐小宏.基于D-CRLH传输线的带阻滤波器[J].微波学报,2011,27

（1）:

64-67.

　　[3]JeongKeunJi,GiHoKim,WonMoSeng.ACompactMultibandAntennaBasedonCRLHTLZORforWirelessMobileSystem[J].MicrowaveandOpti