一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線(xiàn)
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隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信中語(yǔ)音業(yè)務(wù)、窄帶和寬帶數據業(yè)務(wù)的發(fā)展，具有3G功能的手機將逐步成為市場(chǎng)的主流。同時(shí)，手機的設計也日新月異，對天線(xiàn)的寬頻帶特性、多頻工作及小型化要求更為苛刻。目前，多模手機一般只采用一個(gè)能支持多種無(wú)線(xiàn)制式的多頻帶天線(xiàn)。多頻帶手機天線(xiàn)主要采用PIFA天線(xiàn)和單極天線(xiàn)，相比其他形式的天線(xiàn)，這兩類(lèi)天線(xiàn)都具有剖面低、體積小、設計方便等特點(diǎn)，因此廣泛用于手機等移動(dòng)通信終端上?；镜腜IFA天線(xiàn)是將倒F天線(xiàn)的水平振子改變成平面形式，從而引出了平面倒F天線(xiàn)。隨著(zhù)對PIFA天線(xiàn)的深入研究，又出現了很多性能良好的新型PIFA天線(xiàn)。面對多模手機對多頻帶天線(xiàn)的要求，單極天線(xiàn)大帶寬和高增益更適合多模手機幾百兆帶寬的需求，而且內置平面單極天線(xiàn)的結構靈活，易于與當今多變的手機結構相配合，目前市場(chǎng)流行的超薄超小手機普遍采用這類(lèi)天線(xiàn)。
多頻帶單極天線(xiàn)設計常用的多帶技術(shù)主要有多輻射分枝結構、優(yōu)化饋電線(xiàn)結構或增加輸入匹配集總元件，優(yōu)化輻射片與地的容性負載，輻射貼片開(kāi)槽，調整輻射片形狀，增加電流密度獲得的高階模式。文獻采用多個(gè)輻射分枝的結構，提出了兩典型的多分枝單極天線(xiàn)，文獻在矩形平面單極天線(xiàn)的內部，嵌入一個(gè)彎曲的切槽，實(shí)現GSM／DCS／PCS三頻帶天線(xiàn)。
本文提出的多頻帶單極天線(xiàn)，通過(guò)在平面矩形天線(xiàn)上開(kāi)槽，實(shí)現GSM／DCS／PCS頻段，同時(shí)通過(guò)一接地耦合輻射片，有效拓展了天線(xiàn)的工作頻段，能同時(shí)滿(mǎn)足TD-SCDMA制式。由于設計的天線(xiàn)可以與手機的其他電路制作在同一印制板上，因此天線(xiàn)的制作價(jià)格很低，天線(xiàn)高度非常適合超薄手機。
1 天線(xiàn)的設計和仿真
傳統的單極天線(xiàn)，輻射分枝的長(cháng)度約為1／4波長(cháng)。單極天線(xiàn)的輻射電阻和輻射場(chǎng)，可以利用鏡像原理來(lái)計算。簡(jiǎn)單單極天線(xiàn)有較低的輻射電阻
，電抗為大的容性。對于無(wú)窮大地其輻射圖等同于偶極子，如果將地逐步縮小，將無(wú)法形成理想鏡像，地面的電流分布將發(fā)生變化。在現代天線(xiàn)設計中，利用電磁場(chǎng)仿真軟件對天線(xiàn)進(jìn)行仿真成為天線(xiàn)設計的主要方式。本文使用的電磁場(chǎng)仿真軟件采用時(shí)域有限差分法，在時(shí)域進(jìn)行計算。由于激勵信號可以是具有很寬頻譜分量的窄脈沖，與傅里葉變換相結合，可以通過(guò)一次計算得到計算對象所需頻帶寬度內的特性，因此特別適合寬帶問(wèn)題的研究。利用時(shí)域有限差分法分析電磁場(chǎng)時(shí)，首先將計算空間劃分成有限網(wǎng)格，每一電場(chǎng)分量由四個(gè)磁場(chǎng)分量環(huán)繞，每一磁場(chǎng)分量亦由四個(gè)電場(chǎng)分量環(huán)繞，這種劃分方法滿(mǎn)足麥克斯韋旋度方程的結構形式，適合旋度方程在空間進(jìn)行差分運算，而且可以恰當地描述電磁波在空間的傳播過(guò)程。將麥克斯韋旋度方程在上述空間網(wǎng)格和時(shí)間上進(jìn)行離散，用下面的符號來(lái)表示任意場(chǎng)分量F在點(diǎn)(x，y，z，t)的值：
F(x，y，z，t)→F(i△x，j△y，k△z，n△t)→Fn(i，j，k)
式中：△x，△y，△z分別是x，y，z方向上的空間網(wǎng)格步長(cháng)；△t是時(shí)間步長(cháng)；i，j，k為整數，因此可用具有二階精度的差分運算來(lái)替代微分運算。
為了便于計算編程，空間和時(shí)間的編號為整數值，可得到無(wú)源區麥克斯韋旋度方程式(1)和式(2)的各分量的迭代公式見(jiàn)式(3)～式(8)：
式中：
為介質(zhì)中的波阻抗；△τ=v△t為一個(gè)時(shí)間步長(cháng)波在空間走過(guò)的距離；
為介質(zhì)中波的相速，其中ε為媒質(zhì)的介電常數，μ為媒質(zhì)的磁導率。采用數值計算空間總是有限的。為了在有限空間中計算電磁場(chǎng)量，需要對有限空間的周?chē)吔缱鎏厥馓幚?。?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FDTD">FDTD中使用PML(Perfect Match Layer)技術(shù)，可以將計算區域設置為真空，在計算區域內存在散射體和外向波，計算區域由PML吸收媒質(zhì)包圍，PML媒質(zhì)之外是理想導體。
基本多頻帶單極天線(xiàn)結構如圖1所示，PCB主板采用通用FR4材料，板厚1 mm，尺寸為40 mm×105 mm。天線(xiàn)的主輻射單元通過(guò)開(kāi)槽形成兩個(gè)輻射分枝，這兩個(gè)輻射分枝長(cháng)度不同，通過(guò)調整輻射分枝的長(cháng)度，可得天線(xiàn)獲得兩個(gè)諧振頻率，分別對應900 MHz和1800 MHz?？拷伨€(xiàn)的接地輻射片用于調節高端的諧振頻率，使得高頻帶的工作范圍能滿(mǎn)足TD-SCDMA要求，天線(xiàn)輻射單元的最終尺寸通過(guò)仿真軟件的優(yōu)化而確定。
圖2顯示了接地寄生輻射分枝對天線(xiàn)工作頻帶的影響。從圖2(a)可以看出，沒(méi)有接地輻射分枝的情況下，天線(xiàn)僅能覆蓋GSM900和DCSl800，通過(guò)添加接地輻射分枝，有效地擴展了天線(xiàn)的工作頻帶。圖2(b)顯示了接地輻射分枝的長(cháng)度L3對天線(xiàn)高頻帶的影響。通過(guò)調整其長(cháng)度，使得與主輻射片的短輻射分枝的諧振頻率部分交疊，可以獲得最大的工作頻帶。
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