第41卷第4期 2017年8月
南京理工大学学报
Journal o f N a n jin g U n ive rsity o f Science and Technology
Vol.41 No. 4
Aug 2017
金魁1>2，左伟庆\张恩泽3，何小祥\顾长青1
(1.南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京210016;2.淮阴工学院电子信息工程学院，江苏淮安223003;
3.南京理工大学近程高速目标探测技术国防重点学科实验室，江苏南京210094)
摘要：针对当前移动通信系统广泛使用的多辐射单元集成天线存在的问题，本文设计并制作了一款双频带偶极子单体天线。设计中，利用天线臂赋形扩展了主谐振点处带宽、天线臂局部延展并折弯实现了双 频点、电容加载实现了频点飘移，使该天线工作频段能够覆盖分时长期演进（Time division long term evolution,TD-LTE)通信技术的全部制式〇在1.8 ~3.0G H z频段内，天线的仿真
和实测反射系数(S11)曲线吻合较好，对应TD-LTE制式所有业务频段的S11低于-10 dB；两个谐振点处的仿真和实测方向图吻合，符合偶极子天线的辐射特性；在工作频段内增益稳定。
关键词：天线臂赋形；分时长期演进；电容加载；双频点
中图分类号:TN823 文章编号：1005-9830(2017)04-0539-06
D O I：10.14177/j. cnki.32-1397n.2017.41.04.021
Design of full-band dipole antenna for TD-LTE standard
Jin Kui1,2,Zuo Weiqing1,Zhang Enze3,He Xiaoxiang1,Gu Changqing1
(1. College of Electronic Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China;2. Faculty of Electronic and Information Engineering,Huaiyin Institute of Technology,
H uaiW 223003 ,China;3. Ministerial Key Laboratory of JGMT,Nanjing University of Science
and Technology, Nanjing 21094 , China)
A b stract： To solve the problem of the multiple radiation element integration antennas which are
widely used in the mobile communication system, a dual-band dipole antenna is designed and fabricated in this paper. Utilizing the method of shaped-arm, the main resonance bandwidth is broadened; utilizing extension and bending of the antenna arms, dual band is realized; utilizing capacitor loading technology, the shift of frequency is realized. The above design make the operating bands cover TD-LTE standard of domestic 4G mobile communications. Simulated and experimental results of the reflection coefficient ( SI 1 ) of the antenna are in good agreement in 1. 8 GHz 〜3. 0收稿日期:2017-02-20修回日期:2017-04-24
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（30920140122005)；江苏省普通高校研究生创新计划资助项目
(C X L X11_0198)
作者简介：金魁（1973-)，男，博士生，主要研究方向：计算电磁学、现代天线及其隐身技术，E-m a il: jin k u ill22@ 163. c o m；通讯作者：张恩泽（1968-)，男，实验师，主要研究方向：天线技术、隐身技术，E-m a L e n z e z li®
n ju st. edu. c n〇
引文格式：金魁，左伟庆，张恩泽，等.T D-L T E制式全频段偶极子天线设计[J].南京理工大学学报，2017,41 (4): 539-544.
投稿网址：h ttp://z rx u e b a o. n ju st. edu. cn
540
南隶雜I ：大.学学报
第41卷第4期
共面巴伦
c型钢是怎么做成的
该天线设计采用特性阻抗为50 n 同轴馈线 进行馈电。与传统偶极子天线相似，需要能够实
⑷天线正面结构
献显示，这种多辐射单元的集成天线存在着共性 问题：与各个辐射单元对窥的不同频段增益相差 较大，给系统的信号处理带来困难；在不同方向辐 射强度相差较大，对于位置肘变、方向时变的移动 终端，这种情况将影响通信质量。
2〇13年I 2月4日，中国工业与信息化部向国 内三大运营商发放了 4G 牌照，全部为分时长期演
j U ； ( Time division long term evolution 4 TD-LTE )制 式，业务频段分配如表1所示《本文综合天线臂加 宽、天线臂开路端赋形、天线臂贴片局部延展以及 电容加载等技术实现一款双频带偶极子单体天线。 其仿真和实测自反射系数(S 11)低于-10 d B 的频 段，能覆盖表1所示的全部TD-LTE 频段。S 11低 于-10 d B 是一般1程要求，如果按照移动终端天 线的-6 d B 标准，该天线拥有更宽的工作带宽4
果酱瓶
该天线为单体偶极子结构，仿真和实测结果 显示辐射全向性好、带内增益稳《另外，本天线还
GHz . Tlie frequency mnge with S ll of below -10 dB covei's all tlie Service bands of TD-LTE
Standard , Simulated and expejimental rem its of radiation patterns at two resonance points are also iia good agreenient which accords with the radiation peifqiTaance of dipole antennas . Besides , the antenna has a stable gain over its operating bands .Key words ：aria shaping ;tiiile-divisioii long term evolution;capacitor loading ;dual-band
作为无线收发系统与空间电磁波的出入口， 天线在军事和商用领域都占据着不可或缺的位 整[1_2^现代移动通信系统中，它对系统的信道 容量、传输速度、通信质量及覆盖范围更是存在关 键參响。进人3G 时代以来，移动通信系统向移 动用户提供的业务类型越来越多，这些业务被分 配在不同的无线频段，需要使用不同的天线。天 线在近距离安装时，相互之间耦合干扰严重。所 以现代移动通信系统中的天线，尤其是移动终端 的内置天线，应尽可能采用宽带天线实现多频段 覆盖，以减少天线使用数量[3〃]。为了卖现多频 段覆盖，研发人员通常采取多个辐射单元集成技 术设计现代移动通償天线。如文献[8 ]以接地导 体板J ；直缝隙辐射单元和弯缝隙辐射单元实现一 款宽频带移动终端内置天线；文献[9,10]以环形 辐射单元与寄生单极子辐射单元集成实现宽频带 移动终端内置天线；文献[11 ~ 13]以多根长度不 同微带贴片弯折成不同形状的单极子辐射单元实 现移动终端内置集成天线；文献[14 ]以辐射单元 多分枝结构实现移动终端内實I F A 天线。上述文.采用了小型化技术，尺寸仅为1.6 m m x 33 m m x 49
这些优势使其在4G 移动通信领域有很好 的卿前景。
表1国内TD -LTE 制式业务频段
中茵移动
中国联通
中
B 电慎
1880-1890 MHz 2300-2320 MHz 2370 -2390 MHz
2320-2370 MHz 2555 -2575 MHz 2635 -2655 MHz 2575 -2635 MHz
1天线结构
在厚度为1.6 m ra 、相对介电常数为4. 4的
FR -4介质基片上设计T D -L T E 全频段偶极子天
线，结构如图1所示。
-----* L,----基片正面
W,
%
' d
基片正面辐射臂
金属贴片金
属片
B
A
金属过孔
金
属贴片
A
总第115期 金魁在伟庆张風綠何/]、祥臟S青TD-U®制式全频段偶极子天：线授计 541
现不平衡-平衡转换的巴伦连接馈电端口与偶极 子天线辐射臂。本文天线的双臂采用异面结构，实现天线小型化；两夫线臂加宽，、旦开路端设计成 阶梯形，增加夫线主谐振点处带宽；天线臂部分区 域延长并折弯増加辐射电流路径长度，便天线产 生第二个谐振频点；加载如图1U)所示寄生贴 片，引人寄生电容，使第二谐振频点向低频漂移，覆盖目标频段。通过上述方案，设计了能够覆盖 全部T D-L T E制式7个业务频段的偶极子天线。利用电磁仿寘软件H F S S仿真优化后的天线各结 构参数如：表2所示。
表2天线各结构参数
L1W1 L2W213F3a b e d g
23.5 5.124.5 2.262.2 2.78.5 2.10.90.3
2天线单元设计
本文设计的小型化偶极子天线利用天线臂开 路端阶梯截断、部分臂延长折弯及加载电容等方 法，实现该天线在主谐振点处宽带化及双频点，使 其能够覆盖国内4G通信标准的TD-LTE制式全 部业务频段。
2.1天线小型化设计
自由空间中波长为A的电磁波在相对介电常数为A的媒质中波长为A/^。本设计中，偶 极芋天线的双臂采用异面结构，分别置f介质棊 片两面。基片材料的相对介电常数&= 4.4，两臂 之间基片中的耦合波长变短，从而缩短与辐射电 流对应的天线臂长度P]。本文按此机理设计的 ，主谐振频率为2. 3 GHZ的偶极子天线(见图1)双 臂总长度最长部分仅为49 m m。而文献[16,17 ]中谐振频率为2.45 G HZ，采取双臂共面的振子天 线，两臂总长均为72 m m e自由空间中频率为 2.3 G H z的电磁波波长稍长f 2. 45 G H z，但以上 天线臂长度的对比表明偶极子双臂异面旗置能大 幅慶缩魏纖尺寸々
2.2主谐振点宽频带设计
偶极子天线属于谐振天线，辐射臂长度是决 定谐振频率的关键参数，而天线臂的宽度A要影 响夫线的JC作带宽参照表2中的结构参数，在 其他部分尺寸保持不变情况下，天线臂开路端半 齐，宽度F1改变时S11曲线如图2所示。图2 中，随着增加，与臂长对应的主谐振点处S11低于-10 d B带宽随之增加。TT1取值5. 1m m时，在2.06~2.60 G H z之间S11低于-10 d B b但是取值更大时，天线低频特性被恶化，如F1 = 5.78 m m时天线第二谐振点向下移，低宁團2的横坐标下限1.8 G H z。本款天线的设计目标是覆 盖T D-L T E制式的全部业务频段，表1所示TD-L T E制式最高频段是中画电信的2 635 ~ 2 655 M H Z。为避免继续加宽夫线臂恶化低频特性，在 保持臂宽5.1m m时将臂的开路端采取阶梯形逐 渐缩短，实现辐射电流多径，使S11低f-10 dB 的频带上限上移。其他结构参数相同，开路端平 齐两臂结构与阶梯形两种结构的天线S11仿真曲 线如图3所示，开路端平齐两臂结构的天线在 2.06 -2.60 GHz
内S11 低 f-10 d B，而阶梯形两 臂结构的夫线在2. 10 ~ 3.0 G H z内S11均低于 -l〇d：^说明阶梯形两臂结构能一^^程度上增 加天线的*频工作带宽。
2.3天线双频点设计
国内T D-L T E制式除了分配在2 300 ~2 655 M H z内的6个频段外，还有中国移动一个处在 1 880 ~1 890 M H z的较低频段c为了覆盖此频 段，本款天线在巴伦与天线臂之间设计一段传输 线（见图1 )，可等效为天线臂部分K域延长折弯，从而増加谐振电流径程，在较低频率处产逢第二 谐振频点。以H F S S进行仿真分析，传输线长度 幻与：宽度1F3分别为6 m m和2. 2 m m时，天线的 综合指标达到最优&但新谐振点处S11
低于
图6
S11曲线
图6中，在1.8 ~3.0 G H z 范围内，仿真和实 测汾1曲线吻合较好，两个谐振频点基本重合。
仿真 S 11 曲线_ 1. 88 ~ 1. 92 GHz 和 2. 1 ~ 3. 0
G H z 频率范围内、实测S I 1在
1.87 ~ 1.91 G H z 和
2.10 ~2.72 G H z 频率笵围内低于-10 d B s S 11低 于-10 d B 时能满足：C 程应用，所以该夫线覆盖表 1所示的国内T K L T E 制式全部业务频段Q 如果 按照季机等移动终端天线S 11低于-6 d B 满足应
用的指标要求，该天线具有更宽的工作带宽。
图7为该天线在1.88 ~ 1. 92 G H z 和2. 10 ~ 2. 72 G H z 两个频段内，对各频点处H F S S 仿真增 益方向靡取最大值绘制的曲线。由图可见，天线 两个i 作频带内，増益相差较小，2.10 ~2. 72 GHz 之间
增益稳定。
6
-4
_6----------1--------1----------1---------1----------1--------------1
1.8
2.0 2.2 2.4 2.6 2.8
3.0
频率
/GHz
图7最大增益仿真曲线
图8和图9分别是以频率为1. 9 G H z 和2. 3
G H z 的i便携式洒弹器
備励时天线的方向_。厲中的仿■真和
测试曲线很好体现了偶极子天线在//面呈“〇” 形、£面呈“8”形的辐射特性。仿真与实测方向 图稍微偏离前后向轴线>且存在一定误差。分析 认为，该天线中巴伦位于天线辐射臂与馈电.点之 间，该结构虽然可以卖现不平衡-平衡转换，但也 造成了辐射臂前后两侧外部环境的不对称性，进 而使前后向辐射不对称。另外，测量时待测天线 需要以转台上的支架进行固定■•支架对天线的辐
射将产生一定的影响，致使仿真和实测方向图出 现误差。
-10 dB 频段蒗围为1 890 ~1 920 M H z 。为此，引 入图1(a )中的寄生贴片，増加回路容抗，降低谐
振频率。引人寄生贴片前后汾1的H F S S 仿真曲 线如图4所示。结泉表明，引人寄生贴片后天线 第二谐振点处S 11低于-10 d B 频段范_为 1 870 ~ 1 910 M H z _，从而—卖现对国内T D -L T E 制式 7个频段完全覆盖。
3数据结果与分析
按服图1未线绪构及表2中的结构参数，在
相对介电常数为4. 4_s 屬度为1.6 m m 介隱基片上 制作天线实物（见图5)，并进行测试。天线实物 测试结果与同结构参数天线仿真结果如图6 ~9所示。
图5天线实物
542
南隶酸I ：大学学报
第41卷第4期
2
-2
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总第215期金魁左伟庆张恩泽何小祥顾长青T D-L T E制式全频段偶极子天线设计543
180
⑷//面方向图
氮化铝烧结炉
方向图
图8激励信号为1.9 GHz时方向图
180
(a)/«方向图
::
-10
龙灯制作i
l v：
i#
l
达。—心
____590
仿真
(1〇£面方向图
图9激励信号为2.3 GHz时方向图4结论
本文设计T一款小型化双频点偶极子天线，仿真和实测数据吻合较好。天线的-10 d B频带
能够覆盖国内4G标准的TD-LTE制式全部7个 业务频段、频带内増益稳定、辐射全向性好。区别 于其他4G移动通倩宽带天线多辐射单元集成化 的设计方法，本设计以单体偶极子天线实现双频 点和書谐振点宽频化，所以拥有其他4G天线无 法比拟的辐射特性和稳定的増益，这些优势能有 效提翕通信系
统的传输质量。
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站长QQ:729038198
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