一种基于FDTD分析的多频带单极天线
随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务的发展，具有3G功能的手机将逐步成为市场的主流。同时，手机的设计也日新月异，对天线的宽频带特性、多频工作及小型化要求更为苛刻。目前，多模手机一般只采用一个能支持多种无线制式的多频带天线。多频带手机天线主要采用PIFA天线和单极天线，相比其他形式的天线，这两类天线都具有剖面低、体积小、设计方便等特点，因此广泛用于手机等移动通信终端上。基本的PIFA天线是将倒F天线的水平振子改变成平面形式，从而引出了平面倒F天线。随着对PIFA天线的深入研究，又出现了很多性能良好的新型PIFA天线。面对多模手机对多频带天线的要求，单极天线大带宽和高增益更适合多模手机几百兆带宽的需求，而且内置平面单极天线的结构灵活，易于与当今多变的手机结构相配合，目前市场流行的超薄超小手机普遍采用这类天线。
多频带单极天线设计常用的多带技术主要有多辐射分枝结构、优化馈电线结构或增加输入匹配集总元件，优化辐射片与地的容性负载，辐射贴片开槽，调整辐射片形状，增加电流密度获得的高阶模式。文献采用多个辐射分枝的结构，提出了两典型的多分枝单极天线，文献在矩形平面单极天线的内部，嵌入一个弯曲的切槽，实现GSM／DCS／PCS三频带天线。
本文提出的多频带单极天线，通过在平面矩形天线上开槽，实现GSM／DCS／PCS频段，同时通过一接地耦合辐射片，有效拓展了天线的工作频段，能同时满足TD-SCDMA制式。由于设计的天线可以与手机的其他电路制作在同一印制板上，因此天线的制作价格很低，天线高度非常适合超薄手机。
1 天线的设计和仿真
传统的单极天线，辐射分枝的长度约为1／4波长。单极天线的辐射电阻和辐射场，可以利用镜像原理来计算。简单单极天线有较低的辐射电阻
，电抗为大的容性。对于无穷大地其辐射图等同于偶极子，如果将地逐步缩小，将无法形成理想镜像，地面的电流分布将发生变化。在现代天线设计中，利用电磁场仿真软件对天线进行仿真成为天线设计的主要方式。本文使用的电磁场仿真软件采用时域有限差分法，在时域进行计算。由于激励信号可以是具有很宽频谱分量的窄脉冲，与傅里叶变换相结合，可以通过一次计算得到计算对象所需频带宽度内的特性，因此特别适合宽带问题的研究。利用时域有限差分法分析电磁场时，首先将计算空间划分成有限网格，每一电场分量由四个磁场分量环绕，每一磁场分量亦由四个电场分量环绕，这种划分方法满足麦克斯韦旋度方程的结构形式，适合旋度方程在空间进行差分运算，而且可以恰当地描述电磁波在空间的传播过程。将麦克斯韦旋度方程在上述空间网格和时间上进行离散，用下面的符号来表示任意场分量F在点(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分别是x，y，z方向上的空间网格步长；△t是时间步长；i，j，k为整数，因此可用具有二阶精度的差分运算来替代微分运算。
为了便于计算编程，空间和时间的编号为整数值，可得到无源区麦克斯韦旋度方程式(1)和式(2)的各分量的迭代公式见式(3)～式(8)：
式中：
为介质中的波阻抗；△τ=v△t为一个时间步长波在空间走过的距离；
为介质中波的相速，其中ε为媒质的介电常数，μ为媒质的磁导率。采用数值计算空间总是有限的。为了在有限空间中计算电磁场量，需要对有限空间的周围边界做特殊处理。在FDTD中使用PML(Perfect Match Layer)技术，可以将计算区域设置为真空，在计算区域内存在散射体和外向波，计算区域由PML吸收媒质包围，PML媒质之外是理想导体。
基本多频带单极天线结构如图1所示，PCB主板采用通用FR4材料，板厚1 mm，尺寸为40 mm×105 mm。天线的主辐射单元通过开槽形成两个辐射分枝，这两个辐射分枝长度不同，通过调整辐射分枝的长度，可得天线获得两个谐振频率，分别对应900 MHz和1800 MHz。靠近馈线的接地辐射片用于调节高端的谐振频率，使得高频带的工作范围能满足TD-SCDMA要求，天线辐射单元的最终尺寸通过仿真软件的优化而确定。
图2显示了接地寄生辐射分枝对天线工作频带的影响。从图2(a)可以看出，没有接地辐射分枝的情况下，天线仅能覆盖GSM900和DCSl800，通过添加接地辐射分枝，有效地扩展了天线的工作频带。图2(b)显示了接地辐射分枝的长度L3对天线高频带的影响。通过调整其长度，使得与主辐射片的短辐射分枝的谐振频率部分交叠，可以获得最大的工作频带。
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