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 550000)

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一種基于PIFA結(jié)構(gòu)多頻段手機天線的設(shè)計*

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 550000)

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

摘要：設(shè)計了一款基于PIFA結(jié)構(gòu)的手機天線，以多支節(jié)和增加寄生單元方式實現(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天線進行仿真優(yōu)化，最終得到天線的尺寸為33 mm×13 mm×8 mm，同時天線在多個頻點處諧振。仿真結(jié)果表明，諧振點位置S11≤-10 dB，天線和饋線匹配良好，天線帶寬足夠同時覆蓋GSM850、DCS1800、PCS1900、LTE2300/2500、ISM/Bluetooth、WLAN(2.4GHz)工作頻段。對設(shè)計天線進行了加工和實測，實測與仿真結(jié)果吻合良好,驗證了本設(shè)計的可靠性。

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)用于手機通信的頻段逐漸增多。因此，手機不僅要求高質(zhì)量的兼容性，同時要求工作在多頻段上。智能手機的高速發(fā)展使得手機功能的多樣化被客戶所要求，新功能的實現(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，手機天線不僅要工作在多個頻段，同時兼具更小的尺寸。

許多學(xué)者在內(nèi)置手機天線多頻段和小型化上做了大量研究[1-3]。手機天線設(shè)計主要有兩種結(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是全向輻射和非色散特性，并且其結(jié)構(gòu)相對簡單，成本相對較低等優(yōu)勢。但是其顯著缺點是天線受頭和手影響較大，并且需要匹配電路來實現(xiàn)低頻帶寬擴展。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，此類天線得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。PIFA天線設(shè)計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槽實現(xiàn)多個傳輸路徑，各不同的傳輸路徑長度對應(yīng)各不同諧振頻率四分之一波長，以此實現(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頻段，以此實現(xiàn)雙頻。對于三頻及以上的多頻實現(xiàn)，主要采用寄生貼片單元來實現(xiàn)高頻帶寬的擴展[8]。

本文通過開槽和增加寄生貼片來實現(xiàn)多個頻段，通過寄生貼片和主天線的耦合來展寬高頻頻帶，以達到4G通信的要求，同時耦合方式的實現(xiàn)將有效減小天線的尺寸。設(shè)計的天線同時覆蓋了以下頻段：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)。通過改變各帶線的長度能有效控制相應(yīng)頻段。

1天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計

圖1為本文設(shè)計的天線平面結(jié)構(gòu)圖和實物。從圖1中可以看出天線具有比較簡單的結(jié)構(gòu)，將各帶線用數(shù)字標注為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，相對介電常數(shù)為4.4。

(a)實物圖

(b)平面結(jié)構(gòu)圖

由微帶線理論可知，對于基本的矩陣貼片，其諧振頻率可通過如下公式求出：

(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和寬。通常矩形貼片寬度相對長度較小，可忽略不計，公式(1)可簡化為如下形式：

(2)

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

本文設(shè)計的多頻段天線是基于超寬帶天線來實現(xiàn)不同頻段通信需求。輻射貼片單元通過開槽實現(xiàn)兩個輻射支節(jié)，通過主天線與寄生貼片單元耦合構(gòu)成第三個輻射支節(jié)。如圖對應(yīng)的三條帶線分別對應(yīng)三個不同諧振頻段，其中三條帶線總長度分別為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，通過調(diào)節(jié)各微帶線的長度和寬度可實現(xiàn)各頻段的控制。

2仿真結(jié)果及分析

通過高頻電磁仿真軟件HFSS對天線數(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，天線三個諧振點對應(yīng)三個獨立的工作頻段。帶寬以S11≤-6 dB為標準，第一工作頻段帶寬為0.8 GHz～0.9 GHz，通帶的絕對帶寬為100 MHz；第二頻段帶寬為1.7 GHz-1.99 GHz，絕對帶寬290 MHz；第三頻段帶寬為2.31 GHz～2.69 GHz，絕對帶寬為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，說明天線阻抗與微帶線阻抗匹配良好，完全滿足手機通信的需求。

圖2　手機天線回波損耗S11

為分析各參數(shù)對天線性能的影響，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，第二諧振點逐漸向左移動，當L5=2.5 mm時，S11最小，此時帶寬最寬，其它諧振點基本不受L5影響，所以帶線2控制第二諧振頻率的位置，適當調(diào)整帶線2的長度和寬度可調(diào)節(jié)第二通帶的帶寬和諧振頻率。參數(shù)合適時，帶寬能同時滿足1.8 GHz和1.9 GHz通信需求。調(diào)節(jié)參數(shù)L5過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S11的影響

圖4L9對S11的影響

圖5　手機天線回波損耗S11

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

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

通過HFSS仿真優(yōu)化后，得到天線最優(yōu)參數(shù)，將天線加工成實物，并且用網(wǎng)絡(luò)分析儀Agient8722ES測試。實測與仿真結(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　實測與仿真圖

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。對于1.8 GHz及以上頻段，天線增益較高，E和H面各頻點方向性都較好，能滿足手機通信的需求。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)代手機通信的要求，同時也達到現(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)計一款能應(yīng)用在手機上的多頻段天線。天線具有小尺寸，易加工易和集成等特點。對設(shè)計的天線仿真優(yōu)化并做出實物，測試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，因此設(shè)計的天線具有廣泛市場應(yīng)用價值。天線諧振點位置可通過改變相應(yīng)的支節(jié)長度來實現(xiàn)獨立控制，通過合理參數(shù)設(shè)計利用相鄰諧振點的諧振來實現(xiàn)天線的寬頻化，以此滿足通信要求。所設(shè)計的手機天線可應(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，主要研究方向為微波器件；

丁智勇(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為微波器件；

劉橋(1955—)，男，教授，主要研究方向為信號處理。

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

作者簡介：

中圖分類號：TN713.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0871-04

收稿日期：*2015-03-01；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.024