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
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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