〈〈移动通信〉〉2002年第12期
用于3G系统移动终端的平面倒F天线
朱晓维 刘进 胡劲松 东南大学毫米波国家重点实验室 何晓晓 南京东大宽带通信技术有限公司
【摘要】本文主要就WCDMA移动终端天线的指标要求，给出一种平面倒F结构天线的设计，这种结构的天线属于小型化平面天线，体积小、重量轻、低剖面，能够与载体共形，带宽可覆盖整个收发频段，达到250MHz。且制造简单、成本低。实验测试结果表明所设计的天线指标符合WCDMA的3GPP要求。
1 引言
随着无线通信系统与用户的迅猛增加，对系统通信容量的要求大大提高，同时，人们已经不满足仅仅能够进行语音通信，更希望能够享受图像、数据等宽带多媒体服务。在这种情况下，世界各国均竞相研究第三代移动通信系统(简称3G），其中采用直接扩频技术的WCDMA是最具竞争力的系统方案，得到了人们的广泛关注。
WCDMA系统射频的工作频率范围是1920～2170MHz，频宽达250MHz，相对带宽达到13％，因此对于WCDMA移动终端的天线设计要求有大带宽、小尺寸且在整个方位平面上提供均匀覆盖、增益0dBi以上。目前商用的移动终端设备大都采用鞭状天线，存在尺寸不易缩小，且人体邻近效应的存在造成辐射方向覆盖不均匀等问题。而作为小型天线的一个很有发展前景的分支——平面倒F天线，以其独特的低轮廓、宽频带和轻质量的优点，得到了广泛的关注并获得迅速的发展。目前，日本的无绳电话系统部分型号已采用了倒F天线，在东京市区还进行过采用倒F天线的900MHz移动电话的测试，效果不错[1]。在欧洲的数字式无绳电话系统（DECT）中，也采用倒F天线来进行数据传输[2]，而且，它的双极化特性对于手机在都市的复杂电磁环境中应用十分有效。在GSM900和GSM1800双频移动电话中，平面倒F天线可以取代传统的鞭状套筒天线，成为一种新颖的内置式天线，十分方便[3]。具体实现时可以与手机机身共型，馈电网
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络可与天线结构一起制成，适于用平面印刷电路技术大批量生产。而且，可以设想，在未来的无线局域网中，人们不再需要长长的网线，取而代之以小巧的平面倒F天线就可以轻松上网，实在是方便。
本文按照3GPP协议中WCDMA移动终端天线的指标要求，设计了平面倒F结构天线，并采用Microwave Office 2001软件对天线的特性进行了仿真，通过实验测试，表明仿真设计结果及实验测试数据吻合较好。
2 天线的设计
由于线形倒F天线（如图1所示），其频带较窄（通常不到中心频率的百分之一），因此为了展宽频带，用平板结构（如图2所示）来替代导线部分。由于平面部分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，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，避免采用有耗电路, 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。当平板单元的周长为半个波长左右时，产生谐振[1][4]。
图1 线形倒F天线的基本结构
图2 平面倒F天线的基本结构
在实验中，我们发现天线的水平长度L可以粗调天线中心频率的范围（选定一个高度H）；天线的宽度W可以调节天线的带宽，过宽或过窄都会使带宽性能变差，在一定范围内增大平面倒F天线的长宽比可以改善天线的带宽。但是一般来说倒F天线的相对频带宽度有一个极限值，约为16%左右，当天线的带宽达
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到或接近这个极限值之后，无论怎么改变它的几何形状，都不能使它的频带继续展宽。天线的高度H可调节天线的带宽范围和效率，一般H越大，带宽越宽，效率越高，但H的增加不但使重量增加而且破坏了天线低剖面的特性，这是互相矛盾的两个方面，所以，在降低天线高度以实现天线的低轮廓时必须兼顾频带宽度的要求。另外，天线的馈点位置dp也会影响中心频率和带宽，一般来说，馈点离接地端越远，即dp越小，中心频率也越大，为了增加天线的输入阻抗，馈电点离接地端不要太近。在天线的上述基本尺寸已经确定的前提条件下，为了进一步的展宽天线系统的频带，采用尺寸尽可能小的底板，因为这时候天线系统的储能减少了，这样它的Q值就降低了，带宽则加宽。在实际应用中，底板一般是设备的壳体。分析这类系统可以利用线格栅模型进行估算。便携收发信机的天线结构有三种：A型（侧面天线），B型（顶部天线），C型（背部天线），相关实验表明，就增益而言，A型天线的有效增益随倾角变化最小，具有最高的增益[4]。
为了提高天线的效率,平板天线与底板之间不应填充介质。因为在天线的辐射平面与底板之间填充介质以后，介质对场的“束缚”增大，表面波影响增大，频带变窄。但不填充介质，平板下面全是空气，则电波易于辐射，减小了表面波的影响，且天线储能比有介质的情况减小许多，品质因子Q下降，天线频带展宽。
在这里我们给出一个宽频带倒F天线的结果，结构尺寸如图3所示。这里，设计的中心频率是2.045GHz，它的水平部分的尺寸为W×L≈0.245λc×0.273λc，其中λc为工作波长，水平部分平行地悬浮在地板上面且距地板6mm， 50Ω阻抗的同轴馈电点在短路边的对称轴上。
WL dp短路边 图3 平面倒F天线的俯视图
（图中各参数的值为：W=36mm，L=40mm，dp=14.5mm，基板高度H=6mm）
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3 实验测试结果
采用网络分析仪HP8753ES对倒F平面天线的S11特性进行了测试，在整个1920~2170MHz的工作频段内，S11低于-10dB，如图4（a）所示，而计算机仿真结果天线如图4（b）所示，在1.92GHz～2.24GHz的工作频段内，S11低于-10dB，因此,天线S11性能在整个通频带内满足要求,且与仿真结果吻合很好。
S110-2-4-6-8-10-120-2.5-5-7.5-10-12.5-15-17.5-201.71.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.62.72.8Graph 1DB(|S[1,1]|) &Untitled 1S11(db)-14-16-18-20-22-24-26-28-301.81.922.12.22.3Frequency (GHz)2.42.52.62.7Freq(GHz)
（a） 实测结果 （b） 仿真结果
图4 平面倒F天线S11特性
同时，辐射极化方向图及天线增益的测试结果表明，f=2GHz 与f=2.1GHz辐射方向图分别如图5和图6所示，从这两幅图我们可以看出，该天线的E面和H面的主极化图在半平面（0°～180°）上几乎是全向的，而且，除个别点外，一般来说E面和H面的交叉极化比主极化低15dB左右；天线增益>4dBi。
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图5 平面倒F天线的方向图（f=2GHz）
图6 平面倒F天线的方向图（f=2.1GHz）
通过实验，并经相关理论分析得到[1]，该倒F天线底板越小带宽越大，因此平面倒F天线克服了线性倒F天线的窄频带的弱点，实现了宽频带特性。
4 结论
本文重点对应用于WCDMA移动终端的倒F结构天线进行了研究，并给出了设计结果，实验结果表明所设计天线的带宽、驻波、增益、极化等指标达到了3GPP的技术标准，可以解决目前大量使用的鞭状天线效率低、频带窄、人体邻近效应的存在影响辐射效应等问题，将在3G系统中得到广泛应用。
参考文献
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[1] [日] K Fujimoto，[英] A Henderson 等著；陈志宁译. 小型天线. 兵器工业
出版社，1992
[2]Rainer Wansch，Harald Humpfer， Jurgen Hupp. A Integrated F-Antenna for diversity reception in a DECT data transmission module. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2000：278-281
[3]Ming-Sze Tong, Mingwu Yang, Yinchao Chen， Raj Mittra . Design and Analysis of a stacked Dual-Frequency Microstrip Planar Inverted-F Antenna Telephone Handset Using The FDTD. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2000：270-273
[4]藤本共荣、J R 詹姆斯 著；杨可忠，井淑华 译，移动天线手册，北京：人民邮电出版社，1997
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