劉　瑾，丁智勇，劉　橋

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550000)

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一種基于PIFA結(jié)構(gòu)多頻段手機(jī)天線的設(shè)計(jì)*

劉瑾，丁智勇，劉橋

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550000)

修回日期：2015-05-26Received date:2015-03-01；Revised date：2015-05-26

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于PIFA結(jié)構(gòu)的手機(jī)天線，以多支節(jié)和增加寄生單元方式實(shí)現(xiàn)天線的小型化和多頻段要求。采用HFSS13.0高頻電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終得到天線的尺寸為33 mm×13 mm×8 mm，同時(shí)天線在多個(gè)頻點(diǎn)處諧振。仿真結(jié)果表明，諧振點(diǎn)位置S11≤-10 dB，天線和饋線匹配良好，天線帶寬足夠同時(shí)覆蓋GSM850、DCS1800、PCS1900、LTE2300/2500、ISM/Bluetooth、WLAN(2.4GHz)工作頻段。對(duì)設(shè)計(jì)天線進(jìn)行了加工和實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：多頻段；小型化；平面倒F天線；寄生單元

0引言

伴隨通信技術(shù)的發(fā)展，尤其4G通信技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于手機(jī)通信的頻段逐漸增多。因此，手機(jī)不僅要求高質(zhì)量的兼容性，同時(shí)要求工作在多頻段上。智能手機(jī)的高速發(fā)展使得手機(jī)功能的多樣化被客戶所要求，新功能的實(shí)現(xiàn)必將加入新的功能器件，這樣天線可利用區(qū)域?qū)⒏?。因此，手機(jī)天線不僅要工作在多個(gè)頻段，同時(shí)兼具更小的尺寸。

許多學(xué)者在內(nèi)置手機(jī)天線多頻段和小型化上做了大量研究[1-3]。手機(jī)天線設(shè)計(jì)主要有兩種結(jié)構(gòu)：第一種是單極子結(jié)構(gòu)(monopole)；第二種是平面倒F結(jié)構(gòu)(PIFA)。單極子天線具有的特點(diǎn)是全向輻射和非色散特性，并且其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)。但是其顯著缺點(diǎn)是天線受頭和手影響較大，并且需要匹配電路來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻帶寬擴(kuò)展。在保證介質(zhì)高度情況下，PIFA天線能有效解決單極子天線的不足，因此，此類天線得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。PIFA天線設(shè)計(jì)主要有以下兩種方法：第一種是曲流技術(shù)[4-6]。就是在輻射貼片上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳輸路徑，各不同的傳輸路徑長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)各不同諧振頻率四分之一波長(zhǎng)，以此實(shí)現(xiàn)不同的頻段；第二種是多頻技術(shù)[7]。利用單一支節(jié)諧振單元，利用二次諧波作為第二個(gè)頻段，以此實(shí)現(xiàn)雙頻。對(duì)于三頻及以上的多頻實(shí)現(xiàn)，主要采用寄生貼片單元來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻帶寬的擴(kuò)展[8]。

本文通過(guò)開(kāi)槽和增加寄生貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段，通過(guò)寄生貼片和主天線的耦合來(lái)展寬高頻頻帶，以達(dá)到4G通信的要求，同時(shí)耦合方式的實(shí)現(xiàn)將有效減小天線的尺寸。設(shè)計(jì)的天線同時(shí)覆蓋了以下頻段：GSM850(824-894MHz)、DCS1800(1710-1880MHz)、PCS1900(1850-1990MHz)、LTE1900(1880-1920MHz)/2300(2305-2400MHz)/2500(2570-2620MHz)、ISM/Bluetooth(2400-2480MHz)、WLAN(2400-2483MHz)。通過(guò)改變各帶線的長(zhǎng)度能有效控制相應(yīng)頻段。

1天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

圖1為本文設(shè)計(jì)的天線平面結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物。從圖1中可以看出天線具有比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，將各帶線用數(shù)字標(biāo)注為1～3。天線由三部分構(gòu)成，分別是天線輻射單元、微帶線饋電結(jié)構(gòu)和參考地。天線的介質(zhì)基板體積為40 mm×30 mm×8 mm,折疊后天線體積為33 mm×13 mm×8 mm，介質(zhì)采用FR4，相對(duì)介電常數(shù)為4.4。

(a)實(shí)物圖

(b)平面結(jié)構(gòu)圖

由微帶線理論可知，對(duì)于基本的矩陣貼片，其諧振頻率可通過(guò)如下公式求出：

(1)

公式(1)中，c是真空中的光速，f是諧振頻率，L和W分別是矩形貼片的長(zhǎng)和寬。通常矩形貼片寬度相對(duì)長(zhǎng)度較小，可忽略不計(jì)，公式(1)可簡(jiǎn)化為如下形式：

(2)

由圖1(b)可知，通過(guò)貼片方式饋電后，電流分為三路：第一路沿帶線1流動(dòng)，第二路沿帶線2流動(dòng)，第三路沿耦合寄生帶線3流動(dòng)。由微帶線天線理論可知，PIFA天線諧振長(zhǎng)度大約在四分之一諧振波長(zhǎng)處。因此，要使天線工作能同時(shí)工作于GSM的0.85 GHz、1.8 GHz和1.9 GHz，對(duì)應(yīng)電流流徑長(zhǎng)度為88.2 mm、39.5 mm和39.45 mm。對(duì)于工作在LTE1.9 GHz、2.3 GHz和2.6 GHz時(shí)，其對(duì)應(yīng)電流長(zhǎng)度分別為39.45 mm、32.6 mm和28.8 mm。當(dāng)設(shè)計(jì)的天線帶寬足夠?qū)挄r(shí)，中高頻頻段帶寬能同時(shí)滿足1.8 GHz和1.9 GHz通信，高頻頻段帶寬亦可同時(shí)滿足2.3 GHz和2.5 GHz頻帶通信要求。

本文設(shè)計(jì)的多頻段天線是基于超寬帶天線來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻段通信需求。輻射貼片單元通過(guò)開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輻射支節(jié)，通過(guò)主天線與寄生貼片單元耦合構(gòu)成第三個(gè)輻射支節(jié)。如圖對(duì)應(yīng)的三條帶線分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同諧振頻段，其中三條帶線總長(zhǎng)度分別為81.8 mm、32.4 mm和17.3 mm，微帶饋電寬度為2.4 mm。帶線1主要控制低頻0.85 GHz，帶線2控制中高頻1.8和1.9 GHz，帶線3控制超高頻2.3和2.6 GHz，通過(guò)調(diào)節(jié)各微帶線的長(zhǎng)度和寬度可實(shí)現(xiàn)各頻段的控制。

2仿真結(jié)果及分析

通過(guò)高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線數(shù)值模擬，得到天線的回波損耗S11，如圖2所示。從圖2可以看出，天線三個(gè)諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)三個(gè)獨(dú)立的工作頻段。帶寬以S11≤-6 dB為標(biāo)準(zhǔn)，第一工作頻段帶寬為0.8 GHz～0.9 GHz，通帶的絕對(duì)帶寬為100 MHz；第二頻段帶寬為1.7 GHz-1.99 GHz，絕對(duì)帶寬290 MHz；第三頻段帶寬為2.31 GHz～2.69 GHz，絕對(duì)帶寬為380 MHz。以上頻段覆蓋了GSM850、DCS1800、PCS1900、BT /WiFi、LTE1900、LTE2300和LTE2500等頻段。天線饋線阻抗為50Ω，從圖2可知，各諧振處S11均小于-10 dB，說(shuō)明天線阻抗與微帶線阻抗匹配良好，完全滿足手機(jī)通信的需求。

圖2　手機(jī)天線回波損耗S11

為分析各參數(shù)對(duì)天線性能的影響，圖3到圖5分別給出回波損耗受物理參數(shù)影響變化圖。從圖3可得出如下結(jié)論：隨著L5的增大，第二諧振點(diǎn)逐漸向左移動(dòng)，當(dāng)L5=2.5 mm時(shí)，S11最小，此時(shí)帶寬最寬，其它諧振點(diǎn)基本不受L5影響，所以帶線2控制第二諧振頻率的位置，適當(dāng)調(diào)整帶線2的長(zhǎng)度和寬度可調(diào)節(jié)第二通帶的帶寬和諧振頻率。參數(shù)合適時(shí)，帶寬能同時(shí)滿足1.8 GHz和1.9 GHz通信需求。調(diào)節(jié)參數(shù)L5過(guò)程中不影響其它頻段，可極大方便調(diào)節(jié)。

圖3　參數(shù)L5的不同取值對(duì)S11的影響

圖4L9對(duì)S11的影響

圖5　手機(jī)天線回波損耗S11

在圖4中：隨著L9的增大第三個(gè)諧振點(diǎn)逐漸左移，通帶帶寬逐漸減小，諧振點(diǎn)S11也變得更低，最低可達(dá)到-30 dB，此時(shí)帶寬最寬。當(dāng)去掉帶線3時(shí)，此時(shí)從圖5可看出：第一和第二諧振位置基本不變，S11略微增大，第三個(gè)頻段消失，即帶線三直接生成第三通帶 。當(dāng)帶線3的參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng)時(shí)，可使第三通帶帶寬和和諧振位置達(dá)到最優(yōu)，滿足手機(jī)超高頻通信需求。

以多支節(jié)形式實(shí)現(xiàn)的多頻段天線設(shè)計(jì)方法中，各支節(jié)能控制對(duì)應(yīng)的頻段和回波損耗：當(dāng)支節(jié)長(zhǎng)度和寬度合適時(shí)，可實(shí)現(xiàn)不同頻段的位置和帶寬的控制。任何頻段諧振長(zhǎng)度約等于工作波長(zhǎng)的四分之一，隨著支節(jié)長(zhǎng)度增加，諧振點(diǎn)逐漸向低頻移動(dòng)。

通過(guò)HFSS仿真優(yōu)化后，得到天線最優(yōu)參數(shù)，將天線加工成實(shí)物，并且用網(wǎng)絡(luò)分析儀Agient8722ES測(cè)試。實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合良好，如圖6所示。但中心頻率位置和帶寬有所改變，這主要是加工誤差和SMA街頭損耗造成的。

圖6　實(shí)測(cè)與仿真圖

從圖7可以看出，在低頻處，E和H面增益都不是很高，但增益都為正，總體體現(xiàn)出全向性，增益較差主要是邊緣效應(yīng)造成。對(duì)于1.8 GHz及以上頻段，天線增益較高，E和H面各頻點(diǎn)方向性都較好，能滿足手機(jī)通信的需求。在低頻0.85 GHz頻段內(nèi)天線增益從0.1 dB～0.2 dB,1.9 GHz和2.5 GHz頻段內(nèi)增益都在1.5～4 dB內(nèi)，能滿足現(xiàn)代手機(jī)通信的要求，同時(shí)也達(dá)到現(xiàn)代通信功率需求。

(a)850 MHz

(b)1 900 MHz

(c)2.5 GHz

3結(jié)論

本文采用多支節(jié)結(jié)構(gòu)和寄生貼片相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)一款能應(yīng)用在手機(jī)上的多頻段天線。天線具有小尺寸，易加工易和集成等特點(diǎn)。對(duì)設(shè)計(jì)的天線仿真優(yōu)化并做出實(shí)物，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，因此設(shè)計(jì)的天線具有廣泛市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。天線諧振點(diǎn)位置可通過(guò)改變相應(yīng)的支節(jié)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，通過(guò)合理參數(shù)設(shè)計(jì)利用相鄰諧振點(diǎn)的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的寬頻化，以此滿足通信要求。所設(shè)計(jì)的手機(jī)天線可應(yīng)用于GSM850、DCS1800、PCS1900、LTE2300/2500、ISM /Bluetooth和WLAN。

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劉瑾(1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷?/p>

丁智勇(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷?/p>

劉橋(1955—)，男，教授，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

A Multi-Band Antenna based on PIFA Structure for Mobile Phones

LIU Jin，DING Zhi-yong，LIU qiao

(College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550000,China)

Abstract：A mobile-phone antenna based on PIFA is designed, with way of multiple nodules and increasing parasitic elements to meet its requirements of miniaturization and multiple bands. The antenna is simulated and optimized with electromagnetic simulation software HFSS13.0 (High Frequency Structure Simulator),and the designed antenna is 33mm×13mm×8mm in size and resonates at multiple frequency points. Simulation results indicate that with parameter S11≤-10 dB，the proposed antenna could match well with feeder, and its bardwidth is enough to cover many operation frequency bands, including GSM850, DCS1800, PCS1900, LTE2300, LTE2300, ISM/Bluetooth and WLAN(2.4GHz).The proposed antenna is processed and measured, and the simulated results and measured results are quite idenical.All this eloquently verifies the reliability of this designed antenna.

Key words：multi-band；miniaturization；PIFA；parasitic elements

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TN713.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2015)07-0871-04

收稿日期：*2015-03-01；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.024