一種雙頻PIFA手機天線的設計與仿真＊

劉海強 李 智

（四川大學電子信息學院 成都 610065）

1 引言

PIFA天線是現在手機天線使用的最多的一種內置天線，其具有體積小，增益高，易集成，重量輕，饋電方式靈活，便于獲得線極化和圓極化，帶寬相對較寬等特點，因此，它在無線通信天線領域得到了很好的應用。隨著移動通信的發展，移動電話不僅要與移動電話網絡通信外，而且還必須能夠與其他設備和網絡進行通信，比如Bluetooh，GPS等等。為了滿足用戶的快速增長的要求，這樣就對天線的頻段提出更高的要求。天線的頻段已經由兩頻增加到三頻、四頻甚至更多頻段的收發功能。

本文使用一種彎折路徑、加載開槽縫技術設計了一種工作于 EGSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）的平面倒 F（PIFA）天線，其尺寸為36.5×14.5×6×12.0mm。通過Ansoft公司的HFSS10.0軟件對天線進行建模和仿真，并實際制作天線，測試結果，天線滿足終端使用要求。

2 PIFA天線的由來

PIFA天線是由倒L天線的變形而來的，如圖1結構就是倒L天線，它由作為垂直元的短單極子和附加在單極子末端的水平單元組成。圖1中1是垂直單元，2是水平單元，3是饋電點，4是接地板。由于倒L天線有一個低阻抗值，它基本上是在單極子末端加了一段水平線的垂直短單極子天線，天線的輸入阻抗幾乎等于短單極子天線的阻抗加上與地面接近的水平線的電抗。為了增加輻射電阻，在垂直單元的末端附加另外一段倒L型線段，這一變形非常重要，因為倒F天線，不需要在天線和負載之間附加任何電路的情況下，調整它的幾何尺寸就能使其輸入阻抗具有與負載阻抗相匹配的值，這就是倒L型天線變形成倒F天線（PIFA）的原由。圖2所示就是最簡單和典型的倒F天線模型。

圖1 倒L天線模型

圖2 倒F天線模型

3 PIFA天線的基本原理

PIFA天線的基本結構是采用一個平面輻射單元作為輻射體，它的主要輻射是靠面的輻射，所以天線的面積很重要，這種輻射效果在邊緣輻射是最好的，而邊緣的場越往外傾斜越好，并以一個較大的地平面作為反射面，這也就是PIFA天線高度如此重要的原因。其具有體積小，增益高，帶寬相對較寬等特點，在手機天線中使用最多的天線。天線與地板有兩個饋電點，一個是天線模塊輸出，另一個是RF地。PIFA天線如按要求設計環境結構，電性能相當優越，包括SAR指標，是內置天線的首選方案。使用于有一定厚度手機產品，折疊、滑蓋、旋蓋、直板機。

本文采用的基板材料為普通FR4板，基板厚度為6mm，介電常數為4.5，中心頻率分別取900M和1800M。天線尺寸計算公式為［1～2］

式中，L為貼片長度，W為貼片寬度，εe為相對介電常數，εr為介電常數，Δl為縫隙等效長度，fr為天線中心頻率。經分析可知，由介電常數和中心頻率可得出天線的尺寸。

天線與主板PCB模型一般如圖3側試圖和圖4俯視圖，圖4中1是接地板，2是短路片，3是饋電片。實際設計中有所變化。

圖3 天線模型側視圖

圖4 天線模型俯視圖

其中天線的高度對天線的帶寬有著非常關鍵的影響，因此在手機PIFA天線中高度H要大于7mm。由于PIFA天線接地面的作用使頻率特性能變得十分穩定，所以設計難度相對較小，任何手機天線廠家都樂于采用PAFA天線做設計，而且采用PIFA天線作為內置天線設計，由于能量只在手機外側半空間輻射，并具有較高的前后比，也就有較高的SAR值。

4 多頻段PIFA天線技術

微帶貼片天線實現多頻段工作的方法有很多，主要有采用單貼片和多貼片兩種。采用單貼片：1）利用幾種不同的自然模式；2）通過加載或開槽的方法改變貼片各種自然的場分布，進而使諧振頻率受到干擾。這兩種方法都可以實現雙頻或多頻工作。采用多貼片：1）利用諧振頻率不同的貼片形成雙諧振；2）利用多層重疊貼片結構形成多個諧振器，從而產生多頻段工作。

較之于多貼片加載，縫隙加載是一種更為理想的實現雙（多）頻的方式［3～7］，它可以在單層微帶天線上實現，制作生產相對簡單，且易于和微波電路集成。所以在實際中，PIFA天線多采用開槽的方式實現多頻的工作。縫隙的形狀可為矩形、U型、H型等等，文中采用彎折路徑、開槽U型縫隙加載的方式實現 EGSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）雙頻段工作，天線的整體形狀為字母“G”形狀。開槽技術又稱“曲流技術”［8］，是通過表面開槽來改變電流路徑來實現的，即切斷原來的電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，從而改變電流的分布，這樣可以改變了公式中的參數，從而改變諧振頻率F。由于實際工程中實現容易，設計難度小，性能穩定，成本低等優點，很多手機天線公式普遍采用此種方法。

5 天線的結構尺寸

因為PIFA天線的接地板的大小會影響天線的帶寬，所有在設計中必須考慮接地板的大小尺寸，有很多的文獻資料對手機接地板尺寸的設計給予了總結，指出在手機天線設計中GSM頻段最優接地板尺寸大小為40mm×120mm。如果接地板的尺寸偏離最優尺寸，就會使帶寬略有下降，因此合理的設置接地板的尺寸會得到更好的帶寬。輻射片和接地板之間的高度H對天線的工作帶寬產生嚴重的影響，帶寬隨著高度H的增加而增加。一般手機天線中高度都應大于7mm，嚴禁低于6mm，本天線的高度H為12.0mm。同時饋電與短路之間的距離對天線的工作性能影響很大。經研究發現，當兩者很近時，天線的帶寬會變小，當兩者之間的距離很遠時，不利于實現天線的小型化，所以在兩者中采取折中取值。本天線取值為L5＝3.4mm。

經過應用 Ansoft公司的 HFSS［9，12］軟件進行不斷的建模仿真，不斷的優化，最終確定天線尺寸如圖5所示。

圖5 天線尺寸圖

天線安裝在該地板的上部，外部的幾何尺寸為36.5mm×14.5mm。天線與地板之間相距12.0mm，中間填充空氣介質。基板的厚度為0.8mm，相對介電常數為2.6。天線是由銅箔制成，厚度為0.15mm。具有物理強度高的特點，從而保證了天線結構的穩定性。由以上幾點因素分析，最終設計的天線的幾何參數如下：W1＝13.6mm、W2＝12.6mm、W3＝9.1mm、W4＝6.5mm、W6＝6.6mm、W7＝6.0mm、W8＝20.8mm、W10＝3.0mm、W11＝2.5mm、L1＝26.3mm、L2＝9.6mm、L3＝11.0mm、L4＝16.0mm、L5＝13.5mm、L6＝20.6mm。用50Ω同軸饋線。

6 天線仿真結果和實際天線測試結果

設計本天線采用Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件進行建模仿真，HFSS是一種高性能的全波電磁仿真環境，基于有限元的數值計算方法，支持3D建模和仿真。對此天線的各參數進行不斷的優化取值，得到此PIFA天線的駐波比、回波損耗、輻射方向圖的仿真結果、并根據計算結果實際制作了天線和用AV3620網絡分析儀實測天線結果。

6.1 天線仿真分析

從圖6天線回波損耗仿真結果可以看出，在S11＜6dB，諧振出兩個頻段，分別為覆蓋了GSM和DCS的工作頻段。中心頻率分別在900MHz和1.8GHz附近，反射系數衰減迅速，反射系數超過－30dB，表明天線的功率效率高。天線的工作頻段為 EGSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）雙頻段，完全覆蓋了GSM900M，DCS1800M的所以頻率，且天線的相對帶寬分別為約8.6%和9.1%。從圖7駐波比仿真結果可以看出，滿足天線駐波比小于1.5的要求。其值越接近1表示匹配越好，表明此天線的諧振特性很好。從圖8和圖9給出了900MHz，1800MHz頻點的E面和H面的輻射方向圖仿真結果，從圖中可以看出天線有不錯的全向性，最大增益也很好，滿足PIFA天線的設計要求，

圖6 天線的回波損耗

圖7 電壓駐波比

6.2 天線的制作與實測

圖8 GSM900ME面和H面方向圖

為了驗證理論分析的正確性，根據仿真結果尺寸，制作了實際天線，此天線結構簡單，制作方便，通過對一塊薄銅皮進行切割，即可完成制作該天線。該天線實際加工的實物圖如圖10俯視圖。應用AV3620網絡分析儀實測天線的S11曲線如圖11實測天線回波損耗和圖12實測天線駐波比，其有效的工作頻段正好為EGSM900（880MHz～960MHz）DCS1800（1710MHz～1880MHz）雙頻段，與計算機仿真分析的結果基本吻合，說明了理論的正確性。

圖10 實際加工天線圖

圖11 實測天線回波損耗

圖12 實測天線駐波比

7 結語

提出了一個能夠工作于GSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）雙頻段的小型PIFA天線。該天線采用開槽、彎折路徑，在貼片上開了一個類似字母“U”形槽實現了雙頻特性，對縫隙不斷的調整U形槽的尺寸和建模仿真，并優化饋電點和短路點之間的距離和輻射片的長度和寬度來改善天線的阻抗匹配參數和帶寬，最終得到實際應用中所需的對應頻段，也達到了終端的使用要求。天線的整體形狀為典型字母“G”型，該天線具有體積小，易集成，加工成本低，容易制作等優點。適用于移動通信終端。

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