手机天线综述报告.doc

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1、手机天线综述报告 摘 要近年来，随着移动通信系统的发展，人民物质生活水平的提高，手机已成为人们日常生活不可或缺的一种工具。在手机功能不断增加和完善的同时，也提出了手机的小型化、多频化和宽频带等要求，这就对手机天线的设计带来了更大的挑战。本文首先介绍了手机天线的种类及其特点，并分析了常用天线的结构和形式，最后介绍了一些新型手机天线的设计案例，分析了手机天线未来的发展趋势。关键词：手机天线，PIFA，单极天线，多频化ABSTRACT In recent years, with the development of mobile communication system, and the impro

2、vement of peoples material life, Mobile phone has become an indispensable tool of people,s daily life. As the mobile phone functions are added and perfect , at the same time, puts forward the requirements of miniaturization , the Multi-frequency and high bandwidth for mobile phones, this brings abou

3、t greater challenges to the mobile phone antenna designers. This paper first introduces the types and features of the mobile phone antenna, and analyzes the structure and form of the current antenna, finally introduces some new phone antenna design case, and analyzes the future development trend of

4、the mobile phone.Keywords :Mobile phone antenna,PIFA,Monopole antenna,Multi-band目 录1手机天线概要11.1手机天线的研究现状11.2背景和驱动力21.3天线的电参数32手机天线分类52.1外置天线与内置天线52.1.1外置天线52.1.2 内置天线52.1.3 外置天线与内置天线的比较62.2 各种手机天线的特点62.2.1螺旋天线62.2.2 PIFA天线72.2.3 MONOPOLE天线73手机天线设计93.1 PIFA天线设计过程93.2 MONOPOLE天线设计过程113.3新型天线研究124手机天线的研

5、究方向164.1 人体对手机天线特性的影响164.2 手机天线对SAR的影响164.3 手机天线小型化与多频宽带技术174.3.1 小型化技术174.3.2 宽带化技术184.3.3 多频化技术184.4 当前手机天线设计的挑战与发展195参考文献20 1手机天线概要1.1手机天线的研究现状移动通信最初只是在军事和某些特殊领域使用，直到20世纪40年代以后，才逐步扩展到民用领域。最近10多年是移动通信真正蓬勃发展的时期，根据移动通信发展过程，大致可分为3个阶段：(l)第一代移动通信系统(lG)：诞生于20世纪70年代至80年代，当时集成电路技术、微型计算机和微处理器技术快速发展，美国贝尔实验室

6、推出了蜂窝式模拟移动通信系统，使得移动通信真正进入了个人领域。但是第一代移动通信系统的频谱利用率很低，支持的用户数量十分有限，通信的保密程度也很低。 (2)第二代移动通信系统(2G)：80年代末开发的风靡全球十几年的数字蜂窝通信系统，2G是包括语音在内的全数字化系统，新技术体现在通话质量和系统容量的提升。可第二代移动通信系统也有它自己的弱点，包括数据功能较弱，不能良好地支持多媒体业务等。 (3)第三代移动通信系统(3G)：3G的概念是由国际电信联盟在1985年提出的，当时称为未来公众陆地移动通信系统。1996年更名为IMT-2000，系统工作在2000MHz频段。3G与2G的主要区别是在数据和

7、传输声音速度上的提升，它能够更好地实现在全球范围内无线漫游，并能处理音乐、图像、视频等多种媒体形式，提供电子商务、电话会议、网页浏览等多种信息服务，还要考虑与第二代系统的兼容性。 伴随着第三代移动通信系统在中国的广泛应用，3G手机也应运而生。对于移动手机，天线直接影响着手机的通讯能力，直接决定了手机的射接收性能，甚至天线设计的好坏决定了该手机在市场的生存空间。在我国，手机行业从无到有，手机的设计从购买方案到自主设计方案，在短短的几年的时间里，中国的手机产业发展到了空前的鼎盛，随着众多手机生产商的兴起，与手机行业相配套的厂家在手机制造业的地区聚集，近些年发展迅速的手机天线生产厂家以蜂窝式的发展扩

8、沿，一方面在很大的程度上缩短了手机天线的生产周期，快速的为各手机生产商进行试做和量产，另一方面却加速了手机天线产业的不良竞争，淡化了手机天线设计的技术含量，降低了产品的品质，影响手机天线未来的发展。 手机天线一般分为内置天线和外置天线两种。鞭状天线就是典型的外置式天线，之前被广泛应用。外置式天线的缺点有以下几点：天线暴露在机体外部容易损坏，天线距离人体很近时会导致天线性能变差，不容易加保护层来减轻天线辐射对人体伤害，对于频分双工的系统，发送和接收使用不同的匹配电路天线的比吸收率SAR高，不容易屏蔽，人体对与天线的性能影响很大，只有一种极化方式。 手机内置天线有很多优点使它成为了当前手机天线设计

9、的首选。内置的微带天线能够集成在印制电路板上；手机内部不需要额外增加设备的尺寸；内置天线不易被损坏；天线受到人体的影响较小；SAR值小；微带天线输入阻抗比较容易做到50几，不需要额外的匹配电路；可以批量生产；可以将天线安放在手机中远离人脑的一面，并且在靠近人脑的部分贴上保护层来减小天线对人体的辐射伤害；可以安装多个，方便进行组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对未来的移动通信系统来说非常有用1。1.2背景和驱动力 手机正成为最受欢迎的电子产品之一。据市场研究机构Mobile World统计，去年第一季度全球净新增手机用户数为1.68亿，使手机用户总数达到48.2亿。受发展中国家市场飞速发展的

10、影响，全球手机用户总数在7月份的第一周超过50亿，约占全球人口总数的73%2。随着手机的日益普及，用户对移动终端的需求也变得越加苛刻起来，小型化，个性化，超薄，多功能等等设计需求旺盛，移动终端设计师们面临的是更加激烈的挑战！从天线的角度来看，移动终端的体积变得越小，带来的设计挑战也就越大。同时，随着网络制式的演进和发展以及不同国家使用不同的网络制式，想要实现移动终端的漫游，手机必须支持多种网络制式！国外的3G网络已经成熟，我国的3G网络发展得如火如荼，而4G的商用仿佛就在明天!中国移动在去年上海世博会试用4G LTE网络，新旧网络的更替，凡此种种，对手机能支持的频段提出了越来越多的要求。而天线

11、由于射频模拟技术相对落后于数字技术的飞速发展，似乎成为“大砖头”手机的元凶！天线的体积始终是天线带宽的决定因素，这也提出了一个问题，如何在有限的空间内，实现尽量宽的天线带宽。 目前，手机上广为应用的小型内置天线，多为从微带天线发展而来的平面倒F结构型天线(PIFA)，因形似倒置大写字母“F”而得名，PIFA天线的辐射体被安装在接地层的正上方，使用时天线辐射片与人脑之间正好相隔PCB板，这样就大大降低了辐射对人脑的影响，即SAR值较低3。同时，PIFA天线兼顾天线小巧、结构易实现、外观等级要求不高、天线生产一致好等等诸多特点，至今依然在手机内置天线市场上，属于设计首选4。但由于手机体积的进一步减

12、小，传统PIFA天线方案由于体积的局限，显然不能满足天线射频要求，也给天线设计者带来更大的挑战。Monopole天线由于天线地下没有地，通过匹配的优化，其带宽，性能和体积较PIFA天线都有不少的提高，且体积相比PIFA天线减小很多。但是由于没有地在天线地下，monopole天线引入了比较大的SAR值！工程师们总是能找到合理的途径解决天线发展过程中的各种问题。为了克服Monopole天线引入较高的SAR值，将天线置于手机底部，增大Monopole天线和人脑的距离，从而很大程度上减小了SAR值。以此，较小的体积，优越的性能，Monopole天线目前已渐渐取代PIFA天线，成为设计的主流5。对新技术

13、的追求，是工程师们永恒的话题。如何进一步拓宽天线的带宽，使一个天线尽可能的覆盖更多的频段，支持更多的网络制式，很多工程师做了有益的尝试。例如有使用多辐射分支结构；有使用天线分工器实验天线分支分离设计；有在天线馈入处引入大量复杂的匹配电路；有在天线开口端加入容性负载；有在天线发射片上加上匹配电路或二极管、开关；有使用低介电常数的厚介质基底的设计；立体堆叠结构的设计等等。但是上述方法也存在不足，有时会影响天线其它性能指标。例如，大量匹配电路的引入，很难兼顾到高低频的同时匹配，同时引入损耗，如若使用电阻性器件，虽然有助于展开频带，但是电阻性组件对能量的消耗将降低天线的效率。因此，如果采用新的技术在实

14、现小型化微带天线多频段，宽频带工作性能的同时，兼顾其它天线性能指标，如效率，增益，极化等，成为研究的热点和难点。通信技术的飞速发展，要求终端的发展同步跟上，否则对整个产业的发展有很大的制约。比如我国3G的发展，特别是TD的发展初期，在一定程度上受到移动终端技术发展的限制。而天线作为移动终端的一个重要组成部分，必须跟上时代的发展，为通信产业的发展提供积极的支持。1.3天线的电参数（1）天线输入阻抗天线的输入阻抗是以收发机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。这一数值对天线的辐射效率，天线的带内增益波动，天线前端的功率容量有很大的影响。手机天线是一种驻波天线，天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号

15、反射，使天线的辐射效率降低，同时由于反射的影响使得天线在宽频带内的增益有抖动，如果天线的驻波为6，手机前端的击穿电压将降为原来的1/6，而功率容量就会下降。手机天线驻波对天线效率的影响不可不慎。天线的驻波要求，我们目前统一要求为小于3。 （2）工作频率与工作带宽 天线的带宽是指满足天线全部指标的频带范围。工作频率是指天线带宽范围内的所有频率。工作带宽由多个指标来限定，因此需取其中带宽最窄的带宽，手机天线中，方向图带宽，极化带宽等因素所限定的带宽大于阻抗带宽，因此在手机天线中一般以满足所要求驻波的带宽范围作为天线的工作带宽。（3）波束方向图 天线波束方向图是用来描述由天线所辐射出的能量与空间中任

16、意位置的相互关系，藉由方向图可以得知由天线所辐射出来的电磁波在空间中每一个位置的相对强度或绝对强度。毫无疑问，手机天线的水平方向图要求是全向的，实际上手机天线的波束方向图并不重要，主要是在手机的使用过程中，此时手机天线的辐射特性与单天线的辐射特性是不相同的。手机天线的方向图只要求水平面近似为全向即可。（4）方向性与天线增益天线的方向性与其波束方向图有关，所以方向性也是方位角的函数，其定义如下： D(,)=天线在(,)方向上的辐射强度/全向性天线的辐射强度在实际的应用上，由于必须考虑天线本身的辐射效率问题，故通常都以天线增益的大小来代替指向性，两者之间的关系为： G（,）=eD(,) 其中，天线

17、的辐射效率高低与电磁波辐射过程中所损失的能量多少有关。天线在能量传送与接收的过程中所有可能会产生的能量损失包括：天线输入端阻抗不匹配造成的能量反射、天线本身的材质在高频下所产生的能量损耗以及在传播介质中所消耗的能量。 手机天线的增益并不能代表手机使用时的效率问题：真正表示天线增益特性的指标应该是天线的平均有效增益，其与手机天线的的使用环境、使用方式、手机的结构、手机设计方式相关。1电压驻波比要求VSWR50%平均增益-3dBi7天线的极化方向垂直极化表1 一般手机天线的电性能要求2手机天线分类2.1外置天线与内置天线2.1.1外置天线 目前手机天线主要有外置及内置天线两种。外置天线主要使用螺旋

18、或者PCB印制螺旋天线，螺旋天线一般带宽比较好也比较常用，PCB天线比较容易调频率，易于设计。内置天线主要是PIFA与MONOPOLE天线。外置天线的的优点是频带范围宽、接收信号比较稳定、制造简单费用相对低；缺点是天线暴露于机体外易于损坏，天线靠近人体时导致性能变坏；不易加诸如反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害；同时对于FDD的系统，接收和发送必须使用不同的匹配电路。传统的外置天线一般为单极天线，虽然制作简单，但是尺寸较大，不便于携带。由于其要求的长度长，故一般不使用。通常采用螺旋天线（如图1）来降低天线的尺寸。螺旋天线以其良好的辐射特性、小体积、频带扩展容易实现的特性成为外置天线的的

19、主流，但其体积还是较大，同时形状固定，不适合手机造型设计等特殊要求。另外现在也开始使用印制在PCB的螺旋天线（如图2）来得到更小尺寸与各种形状的外置天线。PCB印制螺旋天线还有许多种变形形式，能够实现多频、宽带的要求，有很强的灵活性，因此在外置天线中，此类天线的应用越来越广。在外置天线的应用中螺旋天线还是第一选择，其次是PCB形式的螺旋天线。 图1 外置的螺旋天线 图2 PCB印制螺旋天线2.1.2 内置天线内置天线的形式特别多，包括微带贴片天线、缝隙天线、IFA天线和倒L天线、陶瓷天线、PIFA、MONOPOLE天线等。其中，PIFA是现在使用得最多的一种内置天线，其由倒F线天线演变而来，具

20、有体积小，增益高，剖面低，带宽相对较宽的特点，是在手机天线中使用得最多的天线。MONOPOLE天线，即单极子天线，其基本原理是将对称振子的两个极性相反的馈点处使用接地面，利用天线对地的镜像与天线一起构成对称振子。这种天线本身的物理尺寸比对称振子缩小1/2，但具有与对称振子相似的辐射特性，因此这是天线小型化的一种重要措施。贴片天线与缝隙天线也是使用得较多的内置天线，贴片天线与缝隙天线可通过巴俾涅原理互换。陶瓷天线是一种特别小型化的天线。目前陶瓷天线只在要求天线尺寸极度小的情况下使用，在蓝牙设备中有应用；其增益低，效率低，频带窄，而且成本高，在手机中已逐步开始推广。由于手机逐渐向小型化发展，手机天

21、线也逐渐小型化，因此内置天线逐渐取代了外置天线，占据了主导地位。2.1.3 外置天线与内置天线的比较目前手机天线主要就内置及外置天线两种，内置天线客观上必然比外置天线弱。天线的架设都是尽量远离地面和建筑物的，天线接近参考地的时候，大部分能量将集中在天线和参考地之间，而无法顺利发射，所以天线发射，需要一个“尽量开放”的空间。而手机电路版就是手机天线的参考地，让天线远离手机其他电路，是提高手机天线发射效率的关键。但受到实际环境限制以及大家追求携带方便的要求，手机的设计就必须在电气方面做出妥协。实际上，所有的GSM手机的接收发送电路的增益都是可以根据环境变化而自动调节的，能通过合理的参数设定，会自动

22、补偿有关的损失。所以，就手机整体而言，在信号比较好情况下，内天线和外天线并不能看出差别。差别是有的，在信号很弱的情况，外天线尤其是长天线的信号死点门限将高于内天线，也就是理 论上内天线手机比较容易在弱信号环境丢失信号。2.2 各种手机天线的特点2.2.1螺旋天线 螺旋线是一种慢波结构，螺旋天线实际也是一种慢波化的单极天线。由于螺旋线的作用，减小了电磁波沿螺旋线传播的相速度，因此天线的长度可以缩短。天线的设计只需根据螺旋线的相速度求出天线的等效波长，根据单极天线的设计方式即可得出所求。也正是由于螺旋线的慢波结构，使得天线的Q值高，带宽窄，天线的储能大，辐射效率降低。而多频段螺旋天线的设计亦可直立

23、单极天线的结构来推导出。PCB印制螺旋天线实际也是一种变形的螺旋天线，利用PCB板的介电常数进一步降低天线的尺寸而已。2.2.2 PIFA天线PIFA天线是对倒F线天线的扩展而得到的。此天线的发展顺序是一顶加载倒L天线倒F天线PIFA。由此发展过程即可知天线的特性与优点。其特点是频带宽，体积小，剖面低。PIFA天线相当于大量IFA天线的并联，其阻抗相当于许多线型天线阻抗的并联，因此平面型天线比线型天线的输入阻抗要低一些，因此不但产生了宽带谐振特性，并且缩小了尺寸。为了使天线产生自谐振，避免用有耗电路，应尽量提高辐射电阻，减小损耗电阻，使天线系统保持一个足够高的效率。 图3 PIFA的基本形式

24、图4 倒F线天线从某种程度上，PIFA天线又类似于接地单极子天线，因为它是一种放置在地面上方包含接地片的一种谐振式天线。由于接地线的作用，天线的谐振长度从1/2缩短为1/4，这是PIFA天线可以缩短物理尺寸的首要原理。此外，PIFA天线在某种意义上还可视作微带天线，辐射单元和接地面间是采用的相对介电常数为1的空气介质填充。PIFA天线的电场主要集中在导体边缘，PIFA天线的辐射场就是边缘辐射场，这一点与微带天线是类似的。因此一般也可采用与微带天线类似的分析方法对PIFA天线进行某些特性的分析。其设计的要点：平板单元的周长为半个波长左右时，产生谐振；PIFA天线的相对频带宽度有一个极限值，约为1

25、6%左右。2.2.3 MONOPOLE天线Monopole天线也被称作单极子天线，是由偶极子天线演变而来的，先从短偶极子说起，其两臂上的电荷一正一负并成正弦变化时，也就产生了交变电力，对外辐射。半波振子，上下臂各四分之一波长。上下臂的电流大小对称流向相同（正负电荷成对），电流强度分布是从中间馈电点处向两端点逐步由大到小。馈点处电流最大，电阻（因为正好谐振没有电抗）最小。这样的天线为平衡天线（天线上电流上下臂平衡）。现在去掉偶极天线的一臂，将另一臂换成无穷大地，大地对场的反射，根据镜像原理，一正电荷将其镜像处感应出一负电荷，此时，天线的上臂将产生一镜像，该镜像上的电流分布完全等同于偶极子内线的下

26、臂，在这种情况下，本文称这种天线为单极天线，对于无穷大地其辐射图等同于偶极子。随着手机朝轻薄化方向发展，留给手机天线的空间也相对变小，所以有越来越多的手机选择单极子天线类型。图5为一款单极子天线的天线走线图，从图不难看出，天线少了接地脚，只保留了馈线。图5 单极天线3手机天线设计 手机天线的设计是个复杂的过程，首先要清楚手机所需要工作的频段，以及它的结构形式，由此可以决定选择哪种天线。其次设计出天线的结构图，并用仿真软件进行仿真，生产出样品。再次对样品进行性能上的测试，包括无源测试、有源测试和整机测试等，在此基础上对天线进行改进，最终确定成品。最后进行量产。 手机天线在设计过程中还需要注意一些

27、事项，比如说：要尽早确定天线形式，是PIFA天线，还是MONOPOLE天线，螺旋天线，外置还是内置天线等。能尽量留多点空间给天线的就尽量多，面积越小的电小天线效率越低，相应的带宽也会窄一些，如果你追求高效率较宽的带宽的话，一定要多给天线一点空间；尽量将天线的位置放在远离噪声源的地方，比如LDO侧，电池座边，摄像头边，LCD或摄像头接插件边等，能不把这些器件放在靠近天线的位置就尽量不要放，就是要放也要离开一定的距离，而且要用地隔离。这些只是手机天线设计的大概过程，其实天线的设计是个很复杂的过程，中间需要考虑的东西还有很多，因此要想设计一款性能优良的手机天线，需要下很大的功夫，还需要有很好的理论知

28、识和经验。3.1 PIFA天线设计过程 PIFA是现在使用得最多的一种内置天线，具有体积小，增益高，带宽相对较宽的特点，是在手机天线中使用得最多的天线。图6 PIFA天线基本结构辐射体面积550600mm2。天线与主板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是RF地。天线的位置在手机顶部。PIFA皮法天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线首选方案。适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。天线尺寸双频三频辐射片宽W3030辐射片长L2025辐射片高H67表2 PIFA天线尺寸要求（mm）一般目前PIFA天线为双频，最多可以做到3频，大概尺寸要求如表2所示

29、结构工程师一般根据这样的数据进行结构设计，才能够满足天线的性能要求。对于PCB布线的要求，馈电点位置的要求与外置螺旋天线相同。不同的地方在于PIFA天线有一个距离PCB的高度的要求，对于双频天线，要求至少大于6mm；对于三频天线，要求至少大于7mm。 PIFA天线设计注意事项： （1）内置天线尽量远离周围马达、SPEARKER、RECEIVER等较大金属物体。有时候有摄像头出现，这时候应该把天线这块挖空，尽量作好摄像头FPC的屏蔽，否则会影响接收灵敏度。尽量避免PCB上微带、引线等与天线弹片平行（平行会产生寄生电容）。 （2）内置天线附近的结构件（面）不要有喷涂导电漆等导电物质。 （3）手机

30、天线附近区域不要做电镀工艺以及避免设计金属装饰件等。有环形的金属圈就要接地.。装饰件，通过导电布接到入件上再接到电路板的边缘，即导地。 （4）内置天线正上、下方不能有与FPC（排线）重合部分，且相互边缘距离3mm以上。 （5）内置天线与手机电池的间距应在5mm以上。 （6）手机PCB的长度对PIFA 天线的性能有重要的影响，目前直板机PCB的长度在75-105mm之间这个水平。 （7）馈电点的焊盘应该不小于2x3mm，馈电点应该靠边缘。 （8）天线区域可适当开些定位孔。 （9）在目前的有些超薄滑盖机中，由于天线高度不够，可以通过挖空PIFA天线下方的地，然后在其背面再加一个金属片，起到一个参考

31、地的作用，达到满足设计带宽的要求。 （10）天线空间一般要求预留空间：W、L、H，其中W在15-25mm、 L在35-45mm、H在6-8mm。其中H和天线谐振频率的带宽密切相关。W、L决定天线的最低频率。如果天线面积如下： 双频（GSM/DCS）：600x68mm 三频（GSM/DCS/PCS）：700x78mm 则GSM频段的效果会比较理想。如何增加天线带宽：增加厚度或采用平面非平面层状无源器件可改善微带天线带宽，但会使天线尺寸增大。驱动单元和天线无源单元的长和宽通常在一个半波长到14波长范围内。3.2 MONOPOLE天线设计过程终端设备上所谓的单极子天线已不是传统意义上的无限大地板上的

32、单极子天线，而是将无限大的地板转换为终端设备中的有限地板，事实上此时所谓的单极子天线是一类两臂不对称的偶极子天线，天线部分远小于设备的地板。理解了这一点就可以很好的理解，单极子天线中地板的巨大作用，合适的地板尺寸能保证天线在900MHz有很好的特性，事实上在低频段，地板辐射的贡献超过了80%。单极子天线具有优越的带宽的特性，这是由于它较PIFA离开地板的距离更大是放置在地板上方，使电磁波辐射具有更为开放的空间。另外加宽或加粗单极子的横向尺寸也能很好的拓展其带宽。但是单极子天线在拥有更开放的电磁空间的同时，更容易受到外界环境的影响，特别是人头，另一方面天线也会使人头接收更多的辐射，从而令SAR值

33、难以通过。这个问题一般通过改变天线摆放位置来解决，将天线从传统的手机上端移至下端，能很好的减轻头部的影响，通过SAR指标，但另一方面这个方案又会加重手部对天线的影响。所以在天线设计时需权衡考虑后再进行决策。 单极子天线形成多频段的方法与PIFA类似，通过弯曲折叠实现小型化并利用多条不同长度的支路来实现不同频段的谐振。在高频段为进一步拓展带宽已覆盖UMTS，工程上一般都采用与主天线相耦合的短路枝节，这样可以在不破坏主体谐振特性的基础上对高频段进行优化拓展6。图7 Monopole天线设计参考 单极天线的设计要求与PIFA天线大多相同，相同项不再赘述。 （1）天线的宽度应该不小于15mm。 （2）

34、单极必须悬空，平面结构下不能有PCB的Ground，一般内置天线必须离主板3mm（水平方向），在天线正下方到地的高度必须保持在5mm（垂直方向）以上。 （3）由于MONOPOLE天线没有参考的地，SAR一般比PIFA天线大，实际应用中受到限制，且这是测试的难点，但是效率一般比PIFA高。离电池要5mm以上。3.3新型天线研究 文献7以矩形贴片天线为载体进行研究，采用在辐射体上开槽技术，基于时域有限差分法进行设计、仿真和优化，得如图所示天线模型。其天线底层介质高度为165mm，介电常数为46，上层介质采用空气层，总高度为10mm，接地板大小为89mm*50mm(PCB板的尺寸)，贴片大小为615

35、mm*192mm。具体贴片尺寸如图1所示。图中主体为开h形槽孔，W3和L3槽孔为调整低端频率，改善阻抗特性。图8天线俯视图 经反复优化、修改，最终得到槽孔尺寸数值如下(单位:mm)：L1=56.6mm，L2=4mm，L3=3.75mm，L4=15.6mm，L5=6.5mm，W1=17mm，W2=11.5mm，W3=7.2mm，W4=3.5mm，W5=2mm。通过这样的设计，并对天线建模仿真、不断调试、优化之后，得到的天线可使频率覆盖GSM900MHz、DCS1800MHz和ISM2450MHz 3个频段，天线的增益及带宽均满足现代移动通信系统的工作要求。研究了所开槽孔参数的变化对天线谐振频率的

36、影响，为三频PIFA天线的设计提供了一种新思路。7文献8所设计的天线采用的是G型双频天线为原型，其设计思路及过程如图9所示。首先在图9(a)所示的原型天线长辐射分支的一侧引入折叠壁设计，这有效得降低了天线的所占空间（图9(b)）；然后为了展宽高频带宽，在主辐射单元附近引入U型的寄生分支，该分支作接地处理（图9(c)）；最后在主辐射片馈点和接地点之间开槽处理（图9(d)），该设计有效地改善了低频段的阻抗匹配。图3.24所示回波损耗的变化趋势验证了这一设计思路。图9三频手机天线设计过程(a)G型双频天线 (b)引入折叠壁 (c)引入寄生分支 (d)馈电及接地点间开槽基于以上思路得到天线的结构如图3

37、25所示。经过优化，各个参数尺寸如下：L1=35mm,W1=17mm,L2=4mm,W2=13mm,G1=1mm,G2=2.5mm,G3=1mm,x1=10mm,x2=9mm,x3=4mm,S1=1.8mm,S2=1mm,S3=1mm,L=5mm.最后根据仿真结构得到的天线实物见图3.26(a)所示，相应的测试结果也其后给出。图3.27是该天线的实测方向图，GSM频段选取880MHz、915MHz和960MHz三个频点，DCS/PCS频段选取了1710MHz、1800MHz、1880MHz和1990MHz进行测试。得到的天线具有较好的全向辐射性能。8图10三频天线结构尺寸 文献9采用藕合技术

38、和环技术设计出一种应用于手机里的五频天线。而应用于此手机里的另一个天线是一种被叫做card-type结构的单频天线，card-type结构的天线就是指天线的贴片部分与地面在同一个平面上，如图10所示。五频天线实现在CDMA(824MHz-894MHz)，GSM(880MHz-960MHz)，DCS(1710MHz-1880MHz)，PCS(1850MHz-1990MHz)，WCDMA(1920MHz-2170MHZ)频段，单频天线实现在WCDMA的发射频段，频段范围从2110MHz到2170MHz。图11 天线结构图 一般的四频或者五频天线需要36*16*8mm3的空间，而该文中设计的五频天线

39、的空间为40*25*8mm3，足够大。此五频天线除了用耦合技术以增加高频带宽外，还应用了环天线技术分别增加了高频和低频的带宽。同时此天线也己经不是单纯的PIFA天线了，在天线的侧面存在着辐射贴片，因为这种天线贴片部分不与导电地面平行而是垂直，通常被称为folded stub，它可以帮助降低频率和增加带宽。单频天线是一种被叫做card-type结构的天线，它来实现WCDMA发射频段。 图11中左侧为天线的左侧视图，上面为天线的上视图，右下方的是天线的俯视图。其结构参数如下:灰色部分材料都是铜(或者是其他良导体)；模拟板大小为90x40mm2，为了更形象的模拟手机板形状，板子的两个角设计成圆弧边缘

40、五频天线占手机板大小为25x40mm2，高度为8mm，两个侧面也有天线贴片部分，馈电点在缝1和缝3的中间，两个接地点位于馈电点的两侧与天线相连，天线馈电和接地部分由右侧到左侧的宽度分别是6.75mm，2.5mm，2.25mm，缝1大小为9*7mm2，缝2大小为25*0.5mm2，缝3大小为9.5*0.5mm2，缝4大小为1.5*23mm2，缝5大小为5*0.5mm2，缝6大小为21.8*1mm2，缝7大小为14*1mm2，缝11为17*lmm2，缝7所在侧边天线部分大小为20*6mm2，左侧面两个矩形天部分的大小分别为5*7mm2，11*4mm2。左下侧单频天线与地板在同一个平面上，天线占用

41、地板的总面积是8*35mm2，缝8大小为5*8mm2，缝9大小为25*2mm2，缝10的大小为3*8mm2。天线的馈电线和两个接地线宽度均为1.5mm。 通过对该天线进行FDTD分析得知，该天线频率特性良好，五频天线较低的谐振频率为0.9GHz，高频中心谐振频率在1.94GHz，从图中可以看到在所需频带内回波损耗都低于-5dB，基本满足设计要求。单频天线所需频带内的回波损耗都低于-10dB，也满足要求。两个天线在两个极化上都有分量，不过，移动通信的信号经过多路径传输，有非常大的信号衰落和交叉极化，其提出的天线用来接收这样的信号也是合适的。并在后面通过仿真优化，反复调整使得天线的性能更好。94手

42、机天线的研究方向4.1 人体对手机天线特性的影响人体对手机通信性能的影响主要是人体对天线的远区辐射方向图、输入阻抗、辐射效率、反射系数等方面的影响。人体对辐射功率的吸收程度主要依赖于人脑与天线之间的距离，在人脑距天线很近时约有一半左右的功率被吸收，而随着距离的增大吸收率急剧减小，因为在近场区，电场与距离的关系是平方关系，而远场是线性关系。总体上讲，人体对外置天线的影响较大，内置天线由于有与人体间有一层阻挡而影响较小。事实上，对于上翻盖的手机，人体对外置天线的影响也是很小的。即使是内置天线，其所处的位置对天线特性的影响也不相同，对于PIFA天线，放在手机侧面时性能最好，但放在手机背面的天线对人体

43、的辐射最小，这些问题需要综合考虑。根据研究表明，当天线靠近人脑时，增益会有所减小，旁瓣电平也会发生变化。手的影响与天线的类型有关，对于外置天线手的影响比较小，对于内置式天线手的影响则很大。这是因为内置天线与手持的部位较近，手的存在改变了天线的电流分布而造成的。现在还没有人对手机天线在使用过程中处于各种状态下的特性进行定量的研究，各种状态包括使用中存在对微波具有高吸收能力的人脑、手机的形状改变（包括翻盖）等，事实上这些特性对手机天线的影响比单天线设计要重要。4.2 手机天线对SAR的影响SAR，即“specific absorption rate”，又称比吸收率，以任意6分钟记时平均，单位质量的

44、人体组织吸收的电磁辐射能量（瓦），它是表征手机天线对人体辐射影响的重要参数。一般来说，具有内置天线的手机对人体的电磁能量辐射要小于外置天线的手机，因为手机的PCB和金属屏蔽层会隔离掉一部分电磁波。同样是内置天线，天线所处的位置对天线特性的影响也不相同，对于PIFA天线，放在手机背面的天线对人体的辐射最小。同样的放在背面的微带贴片天线的SAR也较小。手机的不同形态下，即使是同一天线的SAR值可能不相同，尤其是外置天线，手机形态对其辐射特性影响较大，同时了影响其SAR。外置天线在手机的位置与长度对SAR的影响很大。对于一般的上翻盖手机，手机中部的外置天线的SAR可降低许多。而且手机在翻盖状态下的S

45、AR比合盖状态下的SAR要小。4.3 手机天线小型化与多频宽带技术随着手机进一步普及，用户不在局限于手机基本通讯功能，对手机外观与功能的需求变得挑剔起来，这就需要设计天线时，既考虑提升天线基本性能，又力求将其小型化。4.3.1 小型化技术通过馈电点与短路点间的耦合电容来实现小型化。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细与位置，天线尺寸可缩减50。缺点： 阻抗匹配严重的依赖于短路探针的位置与馈电点间的距离；频带窄；H面的交叉极化电平较高。平面倒F天线，其谐振频率可由下式近似得出： 式中，c是真空中的光速；W和L分别是辐射贴片的长度和宽度，是填充材料的相对介电常数；由上式知，采用高的介电常数的基片可有效减低天线的尺寸。但采用高的介电常数会激励出较强表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低。带宽窄，但可以采用光子晶体结构（PBG）来抑制表面波，减小互耦合。此外，当在贴片天线表面开不同形式的槽时，切断了原先的表面电流路径，使电波绕槽边曲折渡过而路径变长，在天线电路中相当于引入了级联电感。采用贴片开槽方式，还可以产生