一種基于FDTD分析的多頻帶單極天線
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隨著無線通信中語音業(yè)務、窄帶和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展，具有3G功能的手機將逐步成為市場的主流。同時，手機的設計也日新月異，對天線的寬頻帶特性、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能支持多種無線制式的多頻帶天線。多頻帶手機天線主要采用PIFA天線和單極天線，相比其他形式的天線，這兩類天線都具有剖面低、體積小、設計方便等特點，因此廣泛用于手機等移動通信終端上?；镜腜IFA天線是將倒F天線的水平振子改變成平面形式，從而引出了平面倒F天線。隨著對PIFA天線的深入研究，又出現(xiàn)了很多性能良好的新型PIFA天線。面對多模手機對多頻帶天線的要求，單極天線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(nèi)置平面單極天線的結構靈活，易于與當今多變的手機結構相配合，目前市場流行的超薄超小手機普遍采用這類天線。
多頻帶單極天線設計常用的多帶技術主要有多輻射分枝結構、優(yōu)化饋電線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，輻射貼片開槽，調(diào)整輻射片形狀，增加電流密度獲得的高階模式。文獻采用多個輻射分枝的結構，提出了兩典型的多分枝單極天線，文獻在矩形平面單極天線的內(nèi)部，嵌入一個彎曲的切槽，實現(xiàn)GSM／DCS／PCS三頻帶天線。
本文提出的多頻帶單極天線，通過在平面矩形天線上開槽，實現(xiàn)GSM／DCS／PCS頻段，同時通過一接地耦合輻射片，有效拓展了天線的工作頻段，能同時滿足TD-SCDMA制式。由于設計的天線可以與手機的其他電路制作在同一印制板上，因此天線的制作價格很低，天線高度非常適合超薄手機。
1 天線的設計和仿真
傳統(tǒng)的單極天線，輻射分枝的長度約為1／4波長。單極天線的輻射電阻和輻射場，可以利用鏡像原理來計算。簡單單極天線有較低的輻射電阻
，電抗為大的容性。對于無窮大地其輻射圖等同于偶極子，如果將地逐步縮小，將無法形成理想鏡像，地面的電流分布將發(fā)生變化。在現(xiàn)代天線設計中，利用電磁場仿真軟件對天線進行仿真成為天線設計的主要方式。本文使用的電磁場仿真軟件采用時域有限差分法，在時域進行計算。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，可以通過一次計算得到計算對象所需頻帶寬度內(nèi)的特性，因此特別適合寬帶問題的研究。利用時域有限差分法分析電磁場時，首先將計算空間劃分成有限網(wǎng)格，每一電場分量由四個磁場分量環(huán)繞，每一磁場分量亦由四個電場分量環(huán)繞，這種劃分方法滿足麥克斯韋旋度方程的結構形式，適合旋度方程在空間進行差分運算，而且可以恰當?shù)孛枋鲭姶挪ㄔ诳臻g的傳播過程。將麥克斯韋旋度方程在上述空間網(wǎng)格和時間上進行離散，用下面的符號來表示任意場分量F在點(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；△t是時間步長；i，j，k為整數(shù)，因此可用具有二階精度的差分運算來替代微分運算。
為了便于計算編程，空間和時間的編號為整數(shù)值，可得到無源區(qū)麥克斯韋旋度方程式(1)和式(2)的各分量的迭代公式見式(3)～式(8)：
式中：
為介質(zhì)中的波阻抗；△τ=v△t為一個時間步長波在空間走過的距離；
為介質(zhì)中波的相速，其中ε為媒質(zhì)的介電常數(shù)，μ為媒質(zhì)的磁導率。采用數(shù)值計算空間總是有限的。為了在有限空間中計算電磁場量，需要對有限空間的周圍邊界做特殊處理。在FDTD中使用PML(Perfect Match Layer)技術，可以將計算區(qū)域設置為真空，在計算區(qū)域內(nèi)存在散射體和外向波，計算區(qū)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。天線的主輻射單元通過開槽形成兩個輻射分枝，這兩個輻射分枝長度不同，通過調(diào)整輻射分枝的長度，可得天線獲得兩個諧振頻率，分別對應900 MHz和1800 MHz?？拷伨€的接地輻射片用于調(diào)節(jié)高端的諧振頻率，使得高頻帶的工作范圍能滿足TD-SCDMA要求，天線輻射單元的最終尺寸通過仿真軟件的優(yōu)化而確定。
圖2顯示了接地寄生輻射分枝對天線工作頻帶的影響。從圖2(a)可以看出，沒有接地輻射分枝的情況下，天線僅能覆蓋GSM900和DCSl800，通過添加接地輻射分枝，有效地擴展了天線的工作頻帶。圖2(b)顯示了接地輻射分枝的長度L3對天線高頻帶的影響。通過調(diào)整其長度，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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