雙頻PIFA手機天線的仿真設計

李海峰　楊天虹　章少杰　胡世達　蘇政毓

摘要：本文立足于智能手機天線的發展趨勢，針對手機天線的研究熱點，設計出一款平面內置小型化雙頻手機天線。該天線采用同軸饋電，利用在PIFA天線開U形槽或L形槽實現雙頻工作，天線可工作于GSM900和DCS1800，帶內的回波損耗S11<-10dB，帶寬大于80MHz，在水平面內具有良好的全向輻射特性。

關鍵詞：手機天線 PIFA天線 雙頻帶 HFSS

中圖分類號：TN828.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0186-02

1 引言

手機是目前全球發展速度最快的通信產品，其強勁的勢頭令其他電子消費產品難易匹敵。1手機天線的研發應考慮高效能、低輻射、低成本、小尺寸等問題。平面倒F天線（PIFA， Planar Inverted F Antenna）是一種常用的平面天線，是以其側面結構與倒反的英文字母F外觀雷同而命名的，因具有體積小、重量輕、結構簡單等優點被廣泛應用于移動通信終端設備。

2 PIFA天線基本原理

PIFA天線主要包括四個部分：接地平面、輻射單元、短路金屬片和同軸饋線。接地平面為反射面；輻射單元是一金屬片，與接地平面平行；短路金屬片連接著輻射金屬片和接地平面；同軸饋線用于信號傳輸。根據倒F天線的原理以及微帶天線的理論，天線的輻射貼片的長度和寬度之和約為1/4個工作波長。PIFA的帶寬由其結構參數綜合決定，所以對其參數合理選擇，優化設計才能提高帶寬。多頻工作可采用在貼片上開槽的方法來實現。

3 雙頻PIFA天線的設計

3.1 L形槽天線

在輻射金屬片上開L形槽，通過開槽，改變了原先電流的行走路徑，形成兩個獨立的電流回路，從而實現PIFA天線的雙頻工作。產生低頻的是矩形金屬片，而開槽后形成的L形矩形產生高頻。

3.2 U形槽天線

通過開U形槽，改變了電流行走路徑，形成兩個相對獨立的電流回路，從而實現了PIFA天線的雙頻工作。產生低頻的是矩形金屬貼片；而開槽后形成的U形矩形槽產生高頻。

4 HFSS仿真結果

HFSS（High Frequency Structure Simulator， 高頻結構仿真器）是目前在我國使用人數最多的全波三維電磁仿真軟件。利用HFSS對天線進行建模，經計算可得出駐波比VSWR、回波損耗S11、遠場輻射方向圖等一系列天線性能參數。

4.1 L形槽模型及結果

由于PIFA天線的高度有一定范圍，一般而言天線的高度不小于6mm，根據理論計算，得到L形槽PIFA天線各部分尺寸，如表1所示，仿真模型如圖1所示。

利用HFSS仿真計算，可以得到天線的回波損耗（如圖2所示）及電壓駐波比（如圖3所示）。

可見在輻射金屬片上開L形槽可以實現雙頻，并且雙頻分別為922MHz和1804MHz，回波損耗-10dB帶寬大于80MHz，電壓駐波比大于2.5dB。

4.2 U形槽模型及結果

在PIFA天線上開U形槽與開L形槽的目的都是要激勵出第二諧振頻率，但二者開槽部分的尺寸有所不同，為達到更好的技術指標，PIFA天線的部分尺寸要做出調整。U形槽PIFA的部分尺寸如表2所示，仿真模型如圖4所示。

通過HFSS仿真計算，可以得到天線的相關電參數，如圖5-圖7所示。

根據結果可知，天線開U型槽以后，駐波比對應的值分別為0.27和2.42，均小于2.5dB，相比L形槽更優。對于回波損耗-10dB帶寬，低頻段約為100MHz，相對帶寬約為11%，滿足工作在GSM900時，頻率在880 MHz-960 MHz的要求；在高頻段，該天線也能完全覆蓋DCS1800（1710 MHz -1880 MHz）的工作頻段。

5 結語

天線設計是手機設計中一個不可或缺的環節，在平面倒F天線上開L形槽或U形槽可形成雙頻諧振，使其工作于GSM900和DCS1800。從仿真的結果來看，天線的輻射特性良好，滿足設計的要求，具有良好的前景。

參考文獻

[1]雷虹，趙紫陽.小型化PIFA天線的參數化仿真設計[J].電子信息對抗技術，2015，11（6）：57-61.

[2]李明洋，劉敏. HFSS天線設計（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2014.