随着无线通信技术的飞速发展，移动终端——手机将集成越来越多的功能，功能的增加对手机的工作频段提出了更高的要求：同时工作在多个通信频段.长期演进通信系统(Long Term Evolution, LTE^[1])的建立及其应用进一步增加了手机的工作频段.天线作为手机通信设备的重要组成部分，其结构受到手机结构限制，要求低剖面、小型化和内置化^[2]等.未来的智能手机将能够同时工作在GSM/DCS/PCS/UMTS/LTE等多个频段，能够在全球进行漫游.为了实现移动终端设备——手机多频段工作需求，小型化、多频段、宽频带天线被越来越多的学者所研究.其中PIFA天线、Monopole天线和Loop天线则是众多学者的研究对象.传统的PIFA天线^[3]，由于其工作模式及其谐振机理的限制，难以满足宽频带的设计要求.文献[4]中，通过在PIFA天线结构上添加可控集总元器件来实现多频段，但集总元器件的参数分散性难以保证天线的一致性.Monopole天线的阻抗带宽比传统PIFA天线宽，为了进一步实现Monopole天线的多频段、宽频带，可采用耦合馈电、寄生单元^[5-11]等方式解决问题.Loop天线由于能够产生多个谐振点而备受关注，文献[12-14]中通过耦合、寄生单元进一步实现多模多频谐振、宽频带.为了优化天线的工作性能，天线的地环境被大量研究^[15-17]，通过在天线地板上合适地开槽能够改变天线的工作模式，降低天线谐振点，增加天线的带宽.文献[18]中提出一种简易结构多频段倒F单极子天线，并对天线工作环境进行分析.本文提出的低剖面、小型化天线与文献[18]中的天线结构相比结构更简易，采用单馈电、开槽地实现多频段且天线更易于加工.天线由单馈电双分支平面辐射体和开槽结构的不完全PCB地组成.双分支平面辐射体中的短分支产生2 600 MHz谐振点，长分支产生900 MHz谐振点，短分支和长分支共同作用产生1 900 MHz谐振点，开槽PCB地可延长地板电流路径降低谐振点，增加天线带宽.

以驻波比VSWR=3:1(S₁₁=-6 dB)为参考标准，本文所设计的天线能够产生两个宽带频段，其中低频带797~1 112 MHz覆盖GSM850(824~894 MHz)/GSM900(880~960 MHz)，而高频带1 658~2 925 MHz覆盖DCS1800(1 710~1 880 MHz)/PCS1900(1 850~1 990 MHz)/UMTS2100(1 920~2 170 MHz)/LTE 2.3 GHz(2 305~2 400 MHz)/WiMax 2.5 GHz/LTE 2.6 GHz(2 500~2 690 MHz).天线辐射体占用50 mm×15 mm×6 mm的空间，结构紧凑，剖面低，满足移动手机天线的设计要求.使用Ansoft HFSS软件进行设计和优化，并对优化的天线进行实物制作和测试，分析仿真结果和测试结果一致性，以证明了此天线设计的准确性.

天线整体结构如图 1(a)所示，由4个部分组成：天线辐射体、天线泡沫衬底、FR-4基板和PCB地.天线支架采用泡沫，泡沫相对介电常数1.007，尺寸为60 mm×15 mm×6 mm.PCB基板采用厚度为0.8 mm的FR-4板材，介电常数4.4，正切损耗0.02，基板尺寸为115 mm×60 mm×0.8 mm.PCB地尺寸为100 mm×60 mm.PCB地开槽降低天线的谐振点，增加天线的带宽，因此，在PCB地上开有一矩形槽，位置、尺寸如图 1(a)所示.天线位于PCB顶端不带地部位的上方，离PCB板的高度为6 mm.

图 1(Figure 1)

图 1 天线的几何形状 Figure 1 Geometry of the proposed antenna

天线的平面展开结构如图 1(b)所示，馈电点的位置以及天线的设计尺寸已在图 1(b)中标注.

使用Ansoft HFSS仿真软件进行仿真，结果如图 2所示.本文设计的天线产生3个谐振点，3个谐振点分别在900、1 900、2 600 MHz.天线在3个谐振点的电流分布如图 3所示.图 3中显示，双分支平面辐射体中的短分支产生2 600 MHz谐振点，长分支产生900 MHz谐振点，短分支和长分支共同作用产生1 900 MHz谐振点.由于1 900和2 600 MHz双谐振的共同作用，天线在高频中的带宽扩宽到从1 658~2 925 MHz，实现了高频段的宽带化，能够覆盖DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE 2.3 GHz/WiMax 2.5 GHz/LTE 2.6 GHz.

图 2(Figure 2)

图 2 天线的反射系数 Figure 2 The reflection coefficient of the proposed antenna

图 3(Figure 3)

图 3 天线电流分布 Figure 3 Current distribution of the proposed antenna

天线地板作为天线的组成部分，其对天线低频有较大影响.图 1(a)天线的整体结构中，PCB地板上开有一个矩形槽，延长了地板上的电流路径，实现谐振点向低频偏移.图 4给出了地板开槽和未开槽的天线反射系数，对比显示，开槽后天线的低频谐振点向低频偏移, 天线的阻抗带宽增加，符合上述地板对天线影响的结论，其中低频段带宽增加78 MHz, 高频段增加73 MHz.在对本文天线结构进行优化设计的过程中，通过PCB地上开槽来减小天线尺寸，增加天线的阻抗带宽.

图 4(Figure 4)

图 4 地板开槽对天线的影响 Figure 4 The influence of the ground with a rectangular slot on the antenna

使用仿真软件对天线进行优化设计，根据优化结果，确定天线各项尺寸参数，并制作出天线的实物模型，天线结构的实物模型如图 5所示.天线选取厚度为0.2 mm的铜皮制作.天线的地板采用FR-4为基板，地板用铜皮制作并在其上进行开槽，在天线馈电点处焊接50 Ω的同轴线连接头.

图 5(Figure 5)

图 5 天线的实物模型与测试线连接图 Figure 5 Manufactured antenna prototypes and testing line

本文中使用安捷伦公司的矢量网络分析仪E5071C对设计的天线进行实验测试，测量结果与仿真结果如图 6所示.以S₁₁=-6 dB作为参考标准，仿真结果与测试结果一致性较好.误差产生的原因可能是由于天线加工误差，或者测试过程中产生的误差，或者软件仿真与实际测量之间的误差.本文中所研究的天线仿真结果与测量结果误差在误差允许的范围内，说明了该天线结构设计的准确性.

图 6(Figure 6)

图 6 天线模型的仿真和实测反射系数曲线 Figure 6 Measured and simulated reflection coefficient for the proposed antenna prototypes

使用Ansoft HFSS软件得出3个谐振频点900、1 900、2 600 MHz上的增益方向图.天线在X-Z和Y-Z截面上的增益方向图(Gain (dB))如图 7所示.

图 7(Figure 7)

图 7 仿真所得天线在不同频点上的辐射增益方向图 Figure 7 Simulated radiation patterns at different resonant frequency for the proposed antenna

本文设计了一种多频段简易结构的手机内置天线，通过单馈电双分支平面辐射体产生3个谐振，以及在PCB地上开槽，实现了天线的小型化、低剖面、宽频带设计，能够覆盖GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100/LTE2.3 GHz/WiMax2.5 GHz/ LTE2.6 GHz多个频段.天线结构简单易于加工，其仿真结果与实验结果相一致，证明了天线结构设计的准确性.此天线频段多、结构简易, 具有研究价值，将进一步进行与手机器件、环境结合的研究.