謝建精 何曉華 章堅(jiān)武

(1.武漢理工大學(xué),湖北武漢430070;2.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江 杭州310018;3.浙江傳媒學(xué)院電子信息學(xué)院,浙江 杭州310018;4.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,浙江杭州310018)

1.引 言

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展,移動(dòng)通信經(jīng)歷著從基本的語(yǔ)音業(yè)務(wù)到低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),再到高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展歷程,因此通信需求也越來(lái)越多樣化。今天人們希望移動(dòng)終端設(shè)備不僅能滿(mǎn)足基本的通信需要,還應(yīng)有藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)等功能,甚至能收看移動(dòng)多媒體電視,比如韓國(guó)近幾年推廣的DMB手機(jī)等。為了適應(yīng)現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信多樣化的特征,無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的終端越來(lái)越向小型化、多功能化和寬帶化等方向發(fā)展,因而對(duì)于終端天線(xiàn)的設(shè)計(jì)也相應(yīng)地提出了小型化、多頻帶及寬頻帶的要求。平面倒F天線(xiàn)(PIFA)具有體積小、便于內(nèi)置、加工成本低、制作簡(jiǎn)單、后向輻射小、比吸收率低等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)通信系統(tǒng)。

平面倒F天線(xiàn)(PIFA)實(shí)現(xiàn)多頻段的方法有很多,一種比較有效的辦法是通過(guò)加載或開(kāi)槽[1]技術(shù)在一個(gè)輻射片上激勵(lì)起不同的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻諧振。開(kāi)槽又稱(chēng)縫隙加載,因其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于PIFA天線(xiàn)的多頻段設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2],[3]分別通過(guò)引入U(xiǎn)形、H形槽,在平面倒F天線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了雙頻特性;文獻(xiàn)[4]采用立體折疊方法,提出了一種適用于GSM(890～960 MHz)和DCS(1710～1880 MHz)頻段的雙頻帶PIFA天線(xiàn),尺寸僅為30 mm ×30 mm ×15 mm,能夠滿(mǎn)足小型設(shè)備的要求;文獻(xiàn)[5],[6]通過(guò)在矩形輻射片上開(kāi)L形、U形槽或雙U形槽,適當(dāng)調(diào)整槽的長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了工作在GSM/DCS/ISM三個(gè)頻段的PIFA天線(xiàn);為了減小天線(xiàn)的尺寸,文獻(xiàn)[7]提出在尾端折疊的輻射片上開(kāi)雙U形槽,可在實(shí)現(xiàn)三頻特性的同時(shí)減小天線(xiàn)的尺寸?；诳p隙加載技術(shù),文獻(xiàn)[5][6][7]確實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了PIFA天線(xiàn)的三頻諧振特性,然而它們的工作帶寬均較窄,不能滿(mǎn)足實(shí)際通信頻段的需要,如文獻(xiàn)[7]中天線(xiàn)的各頻段帶寬為6.4%(0.90～0.96 GHz)、6.1%(1.75～1.86 GHz)和2.5%(2.4～2.46 GHz)。

關(guān)于PIFA天線(xiàn)的頻帶擴(kuò)展技術(shù),目前國(guó)內(nèi)外也已取得了不少研究成果。文獻(xiàn)[8]通過(guò)增加饋電片的寬度使天線(xiàn)的帶寬增加到65%;文獻(xiàn)[9]在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)L形寄生單元,使帶寬進(jìn)一步增加到了95%;文獻(xiàn)[10]針對(duì)WLAN頻段研究了天線(xiàn)參數(shù)變化對(duì)PIFA天線(xiàn)帶寬的影響特性;文獻(xiàn)[11]采用電容耦合饋電有效擴(kuò)展了PIFA天線(xiàn)的帶寬。

在分析綜合了平面倒F天線(xiàn)的各種寬頻帶與多頻帶技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的寬帶小型化三頻PIFA天線(xiàn)。該天線(xiàn)通過(guò)在尾端折疊的矩形貼片上沿著兩個(gè)長(zhǎng)邊分別開(kāi)一個(gè) L形槽以形成三個(gè)不同的電流路徑,從而產(chǎn)生三個(gè)不同的諧振頻點(diǎn),同時(shí)采用較寬的饋電片激勵(lì)以增加天線(xiàn)帶寬。仿真結(jié)果表明S 11小于-6 d B的天線(xiàn)帶寬為 11.9%(0.87～0.98 GHz)、9.5%(1.71～ 1.88 GHz)和10.7%(2.39～2.66 GHz),不僅覆蓋了GSM 、DCS和ISM頻段,還覆蓋了S-DMB的工作頻段。實(shí)際加工制作和測(cè)試了所設(shè)計(jì)的天線(xiàn),測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,證實(shí)了該新型天線(xiàn)具有較寬的工作頻帶和良好的輻射特性,能夠較好地應(yīng)用于實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

2.天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析

設(shè)計(jì)的基于縫隙加載折疊片和寬饋電片激勵(lì)技術(shù)的平面倒F天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1(a)和圖1(b)分別為天線(xiàn)的俯視圖與側(cè)視圖。由圖1(b)可見(jiàn),輻射貼片與接地板之間的距離為 H,中間采用空氣作為填充介質(zhì)。輻射片總尺寸為L(zhǎng)×W,接地板總尺寸為L(zhǎng)g×Wg,貼片位于地板的一端,且L=Wg。

圖1(a)中,輻射片上開(kāi)了兩個(gè) L形槽,L形槽的長(zhǎng)寬分別為(l1,w 1)和(l2,w 2),且分別距貼片左端d 1、d2,槽縫間距g1=g2。同時(shí),貼片左端有一部分先向下再向右作90°彎折,向下部分長(zhǎng) H 1,向右部分長(zhǎng)L1;為了進(jìn)一步縮小天線(xiàn)尺寸,天線(xiàn)下方也有一部分貼片向下作90°彎折,折疊部分長(zhǎng)度為H。此外,饋電片與短路片均位于天線(xiàn)的右上角,這樣饋電比較方便。為了提高天線(xiàn)的帶寬,采用寬饋電片結(jié)構(gòu),饋電片寬為Wf,高 H 3,且距離貼片右端為d3,短路片寬 Ws。

關(guān)于L形槽的長(zhǎng)寬與對(duì)應(yīng)的諧振頻率之間的關(guān)系,文獻(xiàn)[2]給出了一般性結(jié)論,即隨著l1、w1或者l2,w 2的增大,諧振頻率 f 1或 f 2將減小。圖1(a)中引入的雙L形槽將貼片分成了三個(gè)部分,因此形成了三個(gè)電流路徑,從而產(chǎn)生三個(gè)對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)。

對(duì)貼片采用折疊的辦法可在保持頻率不變的條件下較大程度地縮小天線(xiàn)的尺寸,其原理是:將貼片折疊等效于在終端加載電容,而傳輸線(xiàn)理論指出電容可等效為小于四分之一波長(zhǎng)的傳輸線(xiàn),在PIFA天線(xiàn)中對(duì)應(yīng)為相當(dāng)于在貼片開(kāi)路端又增加了一段貼片,延長(zhǎng)了電流路徑,因此降低了天線(xiàn)的諧振頻率。圖2給出了H1不變時(shí)L1的變化對(duì)諧振頻率的影響,表明隨著L 1的增大,f 0逐漸減小,而中間頻點(diǎn)f 1與高頻點(diǎn)f 2變化不大;圖3給出了H 2的變化對(duì)諧振點(diǎn)的影響情況,隨著 H 2的增大,f 1逐漸減小,而 f 0與f 2基本不變化。

采用寬饋電片激勵(lì)可以有效增加PIFA天線(xiàn)的帶寬,其機(jī)理類(lèi)似于半波偶極子天線(xiàn),增大振子的直徑可以降低它的Q值,從而輸入阻抗隨頻率變化變得平緩,最終擴(kuò)展了天線(xiàn)帶寬。圖4反映了這一特性,即隨著饋電片寬度Wf的不斷增大,各個(gè)諧振頻點(diǎn)處的頻帶寬度都得到了很明顯的增加,實(shí)現(xiàn)了PIFA的寬頻帶設(shè)計(jì)。

通過(guò)ANSOFT HFSS軟件對(duì)天線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),綜合調(diào)節(jié)各參數(shù)以獲得最優(yōu)結(jié)果,最終選取的天線(xiàn)參數(shù)為:L=Wg=40mm,W=17mm,Lg=100mm,l1=27 mm,w1=5 mm,l2=22 mm,w2=8 mm,d1=6 mm,d 2=L 1=10 mm,g1=g2=1 mm,H=11 mm,H 1=5 mm,H 2=3 mm,H3=10 mm,Wf=13 mm,Ws=2 mm,d3=1 mm。

3.天線(xiàn)仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上面優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)計(jì)出天線(xiàn),采用ANSOFT HFSS軟件進(jìn)行仿真,所得的S11隨頻率的變化如圖5虛線(xiàn)所示,表明在0.87～0.98 GHz、1.71～1.88 GHz和2.39～2.66 GHz頻段,天線(xiàn)S11均小于-6 d B,覆蓋了 GSM(890～960 MHz)、DCS(1.71～1.88 GHz)的移動(dòng)通信頻段和ISM(2.4～2.484 GHz)藍(lán)牙頻段的同時(shí),還覆蓋了S-DMB(2.605～2.655 GHz)的衛(wèi)星移動(dòng)多媒體廣播網(wǎng)絡(luò)頻段。

圖5 天線(xiàn)的S11隨頻率的變化

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,實(shí)際加工制作了所設(shè)計(jì)的天線(xiàn),實(shí)物如圖6所示。使用安捷倫公司的E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線(xiàn)的S11,實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5實(shí)線(xiàn)所示,測(cè)試的S11小于-6 d B的頻段為0.85～0.97 GHz、1.69～1.89 GHz和2.41～2.66 GHz,與仿真結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 天線(xiàn)實(shí)物圖

圖7 (a)給出了由仿真得到的天線(xiàn)在XZ面的輻射方向圖,可見(jiàn)各諧振點(diǎn)的方向圖存在一定的差異,具體表現(xiàn)在0.91 GHz和2.49 GHz處的背瓣較大,以及2.49 GHz的主瓣偏離天線(xiàn)法向等,這主要是由天線(xiàn)本身的結(jié)構(gòu)決定的,天線(xiàn)的低頻和高頻諧振部分都處于地板邊沿,這樣更容易產(chǎn)生后向繞射場(chǎng),從而影響了方向圖的背瓣與主瓣方向。圖7(b)給出了仿真得出的天線(xiàn)在YZ面的方向圖,可見(jiàn)除了0.91 GHz頻率,其它兩個(gè)頻點(diǎn)的背瓣都不大,這是因?yàn)檠豗軸方向貼片高頻諧振部分的尾端有一個(gè)短路壁,它有效地抑制了邊緣場(chǎng)的后向擴(kuò)散。

總的來(lái)說(shuō),天線(xiàn)在各諧振頻點(diǎn)處都具有較好的全向輻射特性,仿真計(jì)算出三個(gè)諧振點(diǎn)的天線(xiàn)增益分別為 2.43dBi、2.49dBi和2.64dBi,能夠較好地滿(mǎn)足實(shí)際的通信系統(tǒng)需求。

圖8(a)和圖8(b)給出了天線(xiàn)在XZ面和YZ面的實(shí)測(cè)輻射方向圖,可以看出實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果存在偏差,天線(xiàn)的實(shí)測(cè)增益總體上要比仿真結(jié)果小2到3 d B,在XZ面方向圖基本吻合,存在小幅度的偏移,在YZ面實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到較好的全向輻射。出現(xiàn)增益的小幅度衰減以及方向圖的抖動(dòng)是由于天線(xiàn)尺寸較小,測(cè)量時(shí)受環(huán)境影響較大造成的。但是仍然可以看出該天線(xiàn)具有增益高、尺寸小、全向輻射性良好的特點(diǎn),相對(duì)于其它三頻天線(xiàn)具有較大的改進(jìn) 、提升 。

4.結(jié) 論

本文提出的新型寬帶小型化三頻平面倒F天線(xiàn),通過(guò)在尾端折疊的輻射貼片上開(kāi)兩個(gè)L形槽產(chǎn)生不同的諧振點(diǎn),同時(shí)將天線(xiàn)下端部分貼片折疊以進(jìn)一步縮小尺寸,采用寬饋電片激勵(lì)以拓展帶寬。該天線(xiàn)覆蓋了GSM、DCS、ISM 和 S-DMB頻段,能較好地滿(mǎn)足移動(dòng)通信系統(tǒng)與移動(dòng)多媒體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線(xiàn)終端的需求,具有一定的市場(chǎng)實(shí)用價(jià)值。

[1] K UMAR G,RAY K P.Broadband microstrip antennas[M].Boston,London:Artech House,2003.

[2] CHIBA N,AMANO T,IWASAKI H.Dual-frequency planar antenna for handsets[J].Electronics Letters,1998,34(25):2362-2363.

[3] 戚冬生,黎濱洪,劉海濤.縫隙加載H形雙頻天線(xiàn)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2003,19(1):95-98.

QI Dongsheng,LI Binhong,LIU Haitao.Slot-loaded H-shaped dual-frequency antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2003,19(1):95-98.(in Chinese)

[4] 高 揚(yáng),張志軍,陳文華,等.超小型設(shè)備上的雙頻帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(5):944-954.

GAO Yang,ZHANG Zhijun,CHEN Wenhua.Dualband antenna on miniature equipment[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(5):944-954.(in Chinese)

[5] 牛 鳳,李正帆.一種雙U形槽加載的新型三頻平面倒F天線(xiàn)[J].微波學(xué)報(bào),2007,23(2):37-39.

NIU Feng,LI Zhengfan.A novel triple-band planar inverted-f antenna with two U-shaped slots[J].Journal of Microwaves,2007,23(2):37-39.(in Chinese)

[6] 牛 鳳,李正帆.一種新型縫隙加載三頻平面倒F天線(xiàn)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(9):1492-1495.

NIU Feng,LI Zhengfan.A novel slot-loaded tripleband planar inverted-F antenna[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2006,40(9):1492-1495.(in Chinese)

[7] 徐 娜,趙春暉.平面倒置F型三頻手機(jī)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技,2007,34(3):44-49.

XU Na,ZHAO Chunhui.A design of triple-band planar inverted-F antenna for mobile handset[J].Applied Science and Technology,2007,34(3):44-49.(in Chinese)

[8] CHATTHA H T,HUANG Y,LU Y.PIFA bandwidth enhancement by changing the widths of feed and shorting plates[J].IEEE antennas and wireless propagation letters,2009,8:637-640.

[9] CHATTHA H T,HUANG Y,LU Y,et al.Further bandwidth enhancement of PIFA by adding a parasitic element[C]//Loughborough Antennas and Propagation Conference.Loughborough,UK,Nov.16-17,2009:213-216.

[10] AZREMI A A H,SAIDATUL N A,AHMAD R B,et al.A parametric study of broadband planar inverted F antenna(PIFA)for WLAN application[C]//International Conference on Electronic Design.Penang,Malaysia,Dec.1-3,2008.

[11] SUAREZ-FAJARDO C,GOMEZ-SARA J O,FERRANDO-BATA LLER M.Broad band PIFA with capacitive feed[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium,2009:1-4.