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1、一种新型小型双频手机内置天线第30卷第1期杭州电子科技大学学报Vol.30,No.1 2010年02月Journal of Hangzhou Dianzi UniversityFeb.2010 一种新型小型双频内置天线李 慧,官伯然(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018)收稿日期:2009-03-20基金项目:浙江省科技计划重点项目(C21020)简介:李慧(1983-),女,湖北孝感人,在读研究生,电磁场与微波技术.:该文介绍了一种小型法向模螺旋天线。此天线能工作在GSM和DCS两个
2、频段,带宽分别为8.69%和9.45%。小型螺旋天线外部加载介电常数为2.5介质作为天线罩,馈电采用50Ω同轴馈线。在不需要匹配X络情况下,带内天线的回波损耗和天线增益均能基本满足双频的需要。关键词:螺旋天线;法向模;天线;双频:TN401 :A :1001-9146(2010)01-0001-040 引 言随着军事及民用通信的发展,通信设备的小型化要求进一步提高,对天线小型化技术也有了更高的要求[1]。法向模螺旋天线是实现天线小型化的主要技术之一[2]。法向模螺旋天线(又称基模螺旋天
3、线),它可有效的降低天线的高度,实现天线的小型化。天线的研究,大多以平面倒F天线为主,螺旋天线作为天线的研究不是很广泛。本文设计了一种能谐振于GSM和DCS的螺旋天线[3],它具有特殊的螺旋天线结构,半径于波长之比远远小于0.18,为一种法向模螺旋天线。内嵌于介电常数为2.5的介质中,它具有体积小,重量轻,能方便的置于内部。1 法向模螺旋天线典型的螺旋天为圆柱形螺旋天线,使用金属导线(或金属管带)绕制成螺旋结构的行波天线,如图1所示,通常使用同轴线馈电。其结构内的各个参数:D为螺旋天线的直径;C=πD
4、为螺旋天线的圆周长;S=Ctana为每圈的螺距;a为斜度角;L=C2+S2为一圈的长度;N为圈数;h=NS为高度(轴向高)d为螺旋天线导体的直径将天线的每一匝近似为一小环和一理想偶极子组合,如图2所示。螺旋由于多匝线圈缠绕的结果,增大了感性阻抗,因此容易实现自谐振,当自谐振时,它沿螺旋轴的长度较之常规的单极天线自谐振长度要短的多,利用这一特性制作细螺旋天线,其整个天线系统的效率可以相比同长度的常规单极子天线高出许多。螺旋天线辐射特性基本上取决于螺旋直径与波长之比D/λ,当D<<λ(D/λ&
5、lt;0.18)时,最大辐射角垂直于螺旋轴向称为法向模[3],在蜂窝移动天线应用中螺旋天线均为法向模。同时,法向模螺旋天线是一种慢波结构的行波天线,由于电磁波沿螺旋天线传播的相速比光速慢,所以谐振长度可以缩短[4]。法向模螺旋天线的缺点之一是输入阻抗比较低,为了与常见50Ω和75Ω同轴线匹配,常需要进行匹配改进。馈电通常可采用如图3所示3种方式。由于小型化设计的要求,在设计中应考虑匹配X络的实现。 图1 螺旋天线结构 图2 近似螺旋天线示意图图3 同轴馈电匹配方式2 天线设计法向
6、模螺旋天线的设计一般是先取定螺旋直径D和单位长度的圈数N(N=1/S)计算其相对传播常数[5]约为,C为波在真空中的速度,vz为沿螺旋轴线传输波速: p=Cvz≈1+20(ND)2.5(D/λ)0.5(1)则相应的沿螺旋轴线传输波长λz为: λz≈λ/P(2)这种法向模螺旋天线多用作垂直极化方式,以取代车载或船载的垂直鞭天线,使天线的垂直高度大大降低。显然,谐振与四分之一波长的螺旋天线长度为: L=λz4≈λ41+20(ND)2.5(D/λ)0.5(3)可见,能大大缩短天
7、线的长度。由式3可得: (λ4L)2=1+20(ND)2.5(D/λ)0.5(4)若考虑到L=ns=n/N,将4右端的因子1忽略不计,于是有: (λ4L)2=20(ND)2.5(D/λ)0.5(5)当已知D和L,就可以通过上式求得法向模螺旋天线的总圈数n为: n≈λ10D(1D)0.2(6) n≈30f(MHz)D(1D)0.2(7)2 杭州电子科技大学学报 2010年设计的天线,首先设计的天线是法向模结构,所以需
8、要螺旋的半径远远小于工作频段的波长,选取螺旋天线半径,选定绕的圈数,一般天线圈数越多,天线的增益越大,然而对于内置天线来说,天线又不能取过长,一般取3～4圈。本文中天线用HFSS建模,内置天线的三维模型如图4所示。该模型由4部分构成:天线单元～加载介质单元,馈电线部分和接地板等。这4部分共同参与完成电磁波与高频电流的转换。天线单元由两段细镍丝和铜丝绕成,呈一定螺旋状,金属绕线的切面为0.1mm×0.2mm,偶极子由半径为0.2mm的圆柱构成,外部加载介电
