王康佳，謝良輝

（1.惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 惠州516057；2.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川 成都610054）

0 引 言

現(xiàn)今通信技術(shù)高速發(fā)展，無線移動(dòng)終端產(chǎn)品給人們帶來便利的同時(shí)也豐富了人們的生活。隨著手機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前智能手機(jī)充斥各大市場。而且手機(jī)也被賦予越來越多的功能，與之相應(yīng)的是需要處理多種不同的頻段，需要更大的帶寬來滿足更高的數(shù)據(jù)傳輸速率?，F(xiàn)階段商業(yè)常用的頻段包括GSM 850（824～894MHz）、GSM 900 （880～960MHz）、GPS （1 575MHz）、DCS （1 710～1 880MHz）、PCS（1 850～1 990MHz）、3G （1 920～2 175MHz），Bluetooth或 WLAN 802.11b／g （2 400～2 484MHz）頻段，現(xiàn)在已經(jīng)可以把所有這些頻段的功能都集成在同一部手機(jī)中。

1 PIFA天線簡介

多年來，大多數(shù)手機(jī)天線都一直在沿用一種傳統(tǒng)的平面倒F型天線 （planar inverted－F antenna，PIFA）設(shè)計(jì)方案。目前市面上可以看到的手機(jī)內(nèi)置天線，有60%～80%都是采用這種天線設(shè)計(jì)。這種天線的設(shè)計(jì)是基于電小天線技術(shù)，因?yàn)橹挥型ㄟ^電小天線技術(shù)，設(shè)計(jì)者才能實(shí)現(xiàn)在天線內(nèi)置時(shí)尚手機(jī)的同時(shí)，還能保證足夠的增益和帶寬。為了使天線變小，一類非常重要的技術(shù)途徑就是利用慢波結(jié)構(gòu)。慢波結(jié)構(gòu)的兩種典型設(shè)計(jì)方法：一是增加天線上電流的路徑；二是利用匹配網(wǎng)絡(luò)來改變饋電點(diǎn)的相位［1］（圖1）。

圖1 PIFA天線示意圖

2 手機(jī)PIFA天線設(shè)計(jì)

在手機(jī)天線調(diào)試時(shí)，主要考查的參數(shù)是天線的電壓駐波比 （VSWR）、回波損耗S11、及頻帶寬度。在此先通過仿真軟件HFSS進(jìn)行PIFA天線的仿真，通過改變天線的寬度等參數(shù)來分析天線性能，最后再實(shí)調(diào)一個(gè)手機(jī)PIFA天線。

實(shí)際的手機(jī)天線調(diào)試中，受環(huán)境影響太大，所以設(shè)計(jì)時(shí)天線應(yīng)該離帶磁性的器件如馬達(dá)、揚(yáng)聲器、咪頭及顯示屏等3～5mm的距離為好。下面就結(jié)合上述方法實(shí)際調(diào)試一個(gè)可應(yīng)用于智能手機(jī)覆蓋GSM800、GSM900、DCS、PCS及3GWCDMA （1920～2175MHz）幾個(gè)頻段的PIFA天線，再結(jié)合HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真，看看實(shí)際與仿真的區(qū)別。［2］

圖2 覆蓋全頻段的PIFA天線 （實(shí)物）

圖3 HFSS對圖2中PIFA天線進(jìn)行建模

圖2是手工制作的天線，將其在HFSS中建模仿真，建模如圖3所示。圖4是通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試測得的可覆蓋全頻段的PIFA天線的電壓駐波比VSWR［3］。由圖可知，GSM850和GSM900相對為低頻，其余為高頻，低頻中880MHz頻點(diǎn)在2以下，接近1，即天線反射回發(fā)射機(jī)的能量很少，達(dá)到接近匹配的狀態(tài)［4］。在高頻段，所有頻點(diǎn)都在2左右變化，也達(dá)到天線調(diào)試的一般標(biāo)準(zhǔn)。在HFSS中仿真得到的VSWR測試結(jié)果如圖5所示，可以看到效果不如實(shí)際的好。究其原因，可能是仿真中尺寸沒有完全與實(shí)際的天線相符，理論上說仿真時(shí)環(huán)境過于理想其效果會好于實(shí)際［5］。

圖4 用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得實(shí)物天線的VSWR

圖5 在HFSS中仿真得到的VSWR

下一步去暗室測試這個(gè)天線的效率和增益 （屬無源測試），得到如圖8所示的數(shù)據(jù)。通過圖6可以看到，只有960MHz頻點(diǎn)的效率在36點(diǎn)多，其它的都在相對較高的位置，效率較高。按手機(jī)天線的一般標(biāo)準(zhǔn)，在低頻段效率達(dá)到36，已算達(dá)標(biāo)了。圖6中還得到了天線的增益，與圖7及圖8仿真得到的E面和H面的增益方向圖相比，也有一定差異。

圖6 通過微波暗室測得的天線效率與增益

圖7 仿真得到的E面方向圖

由上面的操作可以得出，做小天線如手機(jī)天線一般是直接用刻刀劃出天線形狀，然后對著網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試上述的原因：當(dāng)在軟件上仿真時(shí)，由于環(huán)境太理想，建模所花時(shí)間較刻出一個(gè)天線時(shí)間長，而且小天線所處的環(huán)境如手機(jī)天線一般都很復(fù)雜，需要實(shí)際調(diào)試才可以得到想要的天線。

3 結(jié) 語

圖8 仿真得到的H面方向圖

本文首先簡單介紹了當(dāng)下智能手機(jī)廣泛采用的PIFA天線，對其結(jié)構(gòu)和分析方法作了簡要介紹；然后介紹了PIFA天線設(shè)計(jì)方法，介紹了降低電壓駐波比 （VSWR）的方法及展寬阻抗帶寬的方法；最后通過實(shí)際制作并調(diào)試，測試了一個(gè)可覆蓋全頻段的PIFA天線，對其進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)際的天線性能有一定差異。

如今電小天線廣泛應(yīng)用于各類移動(dòng)通信終端，但其輻射機(jī)理還不成熟，所以有必要對其一些重要參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)研究。在調(diào)試時(shí)一般關(guān)注的是其VSWR及阻抗帶寬，目的是使發(fā)射機(jī)與天線更好地匹配，但匹配好了不一定輻射功率和發(fā)射功率就好，所以還需要到暗室中測試相關(guān)參數(shù)，如TRP、TIS、增益、天線效率等，所有這些數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)才算是一個(gè)合格的天線。

［1］楊振超.新型手機(jī)天線的研究及設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.

［2］劉義.移動(dòng)通信中小型化雙頻微帶天線的研究及設(shè)計(jì)［D］.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2010.

［3］Ludwig R，Bretchko P.射頻電路設(shè)計(jì)—理論與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：62－66.

［4］Yaghjian A D.Impedance，bandwidth and Q of antennas［J］.IEEE Trans Antenn Propag，2005，53（04）：1298－1324.

［5］Thiele G A.On the lower bound of the radiation Q for electrically small antennas［J］.IEEE Trans Antenn Propag，2003，51（06）：1263－1269.