一種寬帶小型化的三頻PIFA天線

謝建精 何曉華 章堅武

(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

無線通信技術(shù)的發(fā)展,移動通信經(jīng)歷著從基本的語音業(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越多樣化。今天人們希望移動終端設(shè)備不僅能滿足基本的通信需要,還應(yīng)有藍牙、無線上網(wǎng)等功能,甚至能收看移動多媒體電視,比如韓國近幾年推廣的DMB手機等。為了適應(yīng)現(xiàn)代無線通信多樣化的特征,無線通信設(shè)備的終端越來越向小型化、多功能化和寬帶化等方向發(fā)展,因而對于終端天線的設(shè)計也相應(yīng)地提出了小型化、多頻帶及寬頻帶的要求。平面倒F天線(PIFA)具有體積小、便于內(nèi)置、加工成本低、制作簡單、后向輻射小、比吸收率低等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于各種移動通信系統(tǒng)。

平面倒F天線(PIFA)實現(xiàn)多頻段的方法有很多,一種比較有效的辦法是通過加載或開槽[1]技術(shù)在一個輻射片上激勵起不同的模式來實現(xiàn)多頻諧振。開槽又稱縫隙加載,因其實現(xiàn)簡單而被廣泛應(yīng)用于PIFA天線的多頻段設(shè)計。文獻[2],[3]分別通過引入U形、H形槽,在平面倒F天線上實現(xiàn)了雙頻特性;文獻[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,尺寸僅為30 mm ×30 mm ×15 mm,能夠滿足小型設(shè)備的要求;文獻[5],[6]通過在矩形輻射片上開L形、U形槽或雙U形槽,適當調(diào)整槽的長度,實現(xiàn)了工作在GSM/DCS/ISM三個頻段的PIFA天線;為了減小天線的尺寸,文獻[7]提出在尾端折疊的輻射片上開雙U形槽,可在實現(xiàn)三頻特性的同時減小天線的尺寸。基于縫隙加載技術(shù),文獻[5][6][7]確實有效地實現(xiàn)了PIFA天線的三頻諧振特性,然而它們的工作帶寬均較窄,不能滿足實際通信頻段的需要,如文獻[7]中天線的各頻段帶寬為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天線的頻帶擴展技術(shù),目前國內(nèi)外也已取得了不少研究成果。文獻[8]通過增加饋電片的寬度使天線的帶寬增加到65%;文獻[9]在文獻[7]的基礎(chǔ)上,增加一個L形寄生單元,使帶寬進一步增加到了95%;文獻[10]針對WLAN頻段研究了天線參數(shù)變化對PIFA天線帶寬的影響特性;文獻[11]采用電容耦合饋電有效擴展了PIFA天線的帶寬。

在分析綜合了平面倒F天線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。該天線通過在尾端折疊的矩形貼片上沿著兩個長邊分別開一個 L形槽以形成三個不同的電流路徑,從而產(chǎn)生三個不同的諧振頻點,同時采用較寬的饋電片激勵以增加天線帶寬。仿真結(jié)果表明S 11小于-6 d B的天線帶寬為 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。實際加工制作和測試了所設(shè)計的天線,測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,證實了該新型天線具有較寬的工作頻帶和良好的輻射特性,能夠較好地應(yīng)用于實際的移動通信系統(tǒng)中。

2.天線結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析

設(shè)計的基于縫隙加載折疊片和寬饋電片激勵技術(shù)的平面倒F天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1(a)和圖1(b)分別為天線的俯視圖與側(cè)視圖。由圖1(b)可見,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×W,接地板總尺寸為Lg×Wg,貼片位于地板的一端,且L=Wg。

圖1(a)中,輻射片上開了兩個 L形槽,L形槽的長寬分別為(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,貼片左端有一部分先向下再向右作90°彎折,向下部分長 H 1,向右部分長L1;為了進一步縮小天線尺寸,天線下方也有一部分貼片向下作90°彎折,折疊部分長度為H。此外,饋電片與短路片均位于天線的右上角,這樣饋電比較方便。為了提高天線的帶寬,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形槽的長寬與對應(yīng)的諧振頻率之間的關(guān)系,文獻[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部分,因此形成了三個電流路徑,從而產(chǎn)生三個對應(yīng)的諧振頻點。

對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,而傳輸線理論指出電容可等效為小于四分之一波長的傳輸線,在PIFA天線中對應(yīng)為相當于在貼片開路端又增加了一段貼片,延長了電流路徑,因此降低了天線的諧振頻率。圖2給出了H1不變時L1的變化對諧振頻率的影響,表明隨著L 1的增大,f 0逐漸減小,而中間頻點f 1與高頻點f 2變化不大;圖3給出了H 2的變化對諧振點的影響情況,隨著 H 2的增大,f 1逐漸減小,而 f 0與f 2基本不變化。

采用寬饋電片激勵可以有效增加PIFA天線的帶寬,其機理類似于半波偶極子天線,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,最終擴展了天線帶寬。圖4反映了這一特性,即隨著饋電片寬度Wf的不斷增大,各個諧振頻點處的頻帶寬度都得到了很明顯的增加,實現(xiàn)了PIFA的寬頻帶設(shè)計。

通過ANSOFT HFSS軟件對天線優(yōu)化設(shè)計,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.天線仿真與實驗

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

圖5 天線的S11隨頻率的變化

為了驗證仿真結(jié)果,實際加工制作了所設(shè)計的天線,實物如圖6所示。使用安捷倫公司的E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線的S11,實測結(jié)果如圖5實線所示,測試的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,驗證了設(shè)計的合理性。

圖6 天線實物圖

圖7 (a)給出了由仿真得到的天線在XZ面的輻射方向圖,可見各諧振點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的主瓣偏離天線法向等,這主要是由天線本身的結(jié)構(gòu)決定的,天線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,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在YZ面的方向圖,可見除了0.91 GHz頻率,其它兩個頻點的背瓣都不大,這是因為沿Y軸方向貼片高頻諧振部分的尾端有一個短路壁,它有效地抑制了邊緣場的后向擴散。

總的來說,天線在各諧振頻點處都具有較好的全向輻射特性,仿真計算出三個諧振點的天線增益分別為 2.43dBi、2.49dBi和2.64dBi,能夠較好地滿足實際的通信系統(tǒng)需求。

圖8(a)和圖8(b)給出了天線在XZ面和YZ面的實測輻射方向圖,可以看出實測結(jié)果與仿真結(jié)果存在偏差,天線的實測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面實測結(jié)果達到較好的全向輻射。出現(xiàn)增益的小幅度衰減以及方向圖的抖動是由于天線尺寸較小,測量時受環(huán)境影響較大造成的。但是仍然可以看出該天線具有增益高、尺寸小、全向輻射性良好的特點,相對于其它三頻天線具有較大的改進 、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,通過在尾端折疊的輻射貼片上開兩個L形槽產(chǎn)生不同的諧振點,同時將天線下端部分貼片折疊以進一步縮小尺寸,采用寬饋電片激勵以拓展帶寬。該天線覆蓋了GSM、DCS、ISM 和 S-DMB頻段,能較好地滿足移動通信系統(tǒng)與移動多媒體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對無線終端的需求,具有一定的市場實用價值。

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