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(wù)、窄帶和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，具有3G功能的手機(jī)將逐步成為市場的主流。同時(shí)，手機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)一般只采用一個(gè)能支持多種無線制式的多頻帶天線。多頻帶手機(jī)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(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)，因此廣泛用于手機(jī)等移動(dòng)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(jī)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(jī)幾百兆帶寬的需求，而且內(nèi)置平面單極天線的結(jié)構(gòu)靈活，易于與當(dāng)今多變的手機(jī)結(jié)構(gòu)相配合，目前市場流行的超薄超小手機(jī)普遍采用這類天線。
多頻帶單極天線設(shè)計(jì)常用的多帶技術(shù)主要有多輻射分枝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化饋電線結(jié)構(gòu)或增加輸入匹配集總元件，優(yōu)化輻射片與地的容性負(fù)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(xiàn)采用多個(gè)輻射分枝的結(jié)構(gòu)，提出了兩典型的多分枝單極天線，文獻(xiàn)在矩形平面單極天線的內(nèi)部，嵌入一個(gè)彎曲的切槽，實(shí)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(shí)現(xiàn)GSM／DCS／PCS頻段，同時(shí)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(shí)滿足TD-SCDMA制式。由于設(shè)計(jì)的天線可以與手機(jī)的其他電路制作在同一印制板上，因此天線的制作價(jià)格很低，天線高度非常適合超薄手機(jī)。
1 天線的設(shè)計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)中，利用電磁場仿真軟件對天線進(jìn)行仿真成為天線設(shè)計(jì)的主要方式。本文使用的電磁場仿真軟件采用時(shí)域有限差分法，在時(shí)域進(jìn)行計(jì)算。由于激勵(lì)信號(hào)可以是具有很寬頻譜分量的窄脈沖，與傅里葉變換相結(jié)合，可以通過一次計(jì)算得到計(jì)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(shí)域有限差分法分析電磁場時(shí)，首先將計(jì)算空間劃分成有限網(wǎng)格，每一電場分量由四個(gè)磁場分量環(huán)繞，每一磁場分量亦由四個(gè)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(jié)構(gòu)形式，適合旋度方程在空間進(jìn)行差分運(yùn)算，而且可以恰當(dāng)?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(shí)間上進(jìn)行離散，用下面的符號(hào)來表示任意場分量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；△t是時(shí)間步長；i，j，k為整數(shù)，因此可用具有二階精度的差分運(yùn)算來替代微分運(yùn)算。
為了便于計(jì)算編程，空間和時(shí)間的編號(hào)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(gè)時(shí)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(dǎo)率。采用數(shù)值計(jì)算空間總是有限的。為了在有限空間中計(jì)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(shù)，可以將計(jì)算區(qū)域設(shè)置為真空，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)存在散射體和外向波，計(jì)算區(qū)域由PML吸收媒質(zhì)包圍，PML媒質(zhì)之外是理想導(dǎo)體。
基本多頻帶單極天線結(jié)構(gòu)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(gè)輻射分枝，這兩個(gè)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(gè)諧振頻率，分別對應(yīng)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?cái)U(kuò)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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