一種新式小型多頻段終端天線

李時良， 馮正和

（①中國空間技術(shù)研究院第503所，北京 100086；②清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

0 引言

無線通信多業(yè)務(wù)的發(fā)展推動了現(xiàn)代通信終端天線向小型化、多功能（多頻段、多極化和多用途）的方向發(fā)展，設(shè)計小型化多功能天線已成為當(dāng)前天線研究的重點。大多數(shù)的移動終端天線都安裝在一個空間有限的載體上，因此載體對天線的影響性能的影響也都正成為人們研究的一個熱點。

從終端天線所采用的天線技術(shù)來看，終端天線早已從傳統(tǒng)的天線設(shè)計進(jìn)入多種結(jié)構(gòu)、多種材質(zhì)、特性多樣化的新型的天線設(shè)計領(lǐng)域。在眾多的終端天線中，通常采用的方案有貼片天線[1]、平面倒F天線（PIFA）[2-3]和單極天線[4-5]這3種。在現(xiàn)代無線通信商業(yè)應(yīng)用中，PIFA是應(yīng)用最為廣泛的一種內(nèi)置終端天線，主要是由于PIFA的結(jié)構(gòu)尺寸較小，易于與終端設(shè)備組裝。另一方面，PIFA最重要的是其雙極化特性，這是終端設(shè)備對天線的一項重要指標(biāo)要求，這意味著天線可以接受任意方向上的來波信號。另外，PIFA實現(xiàn)寬頻帶和多頻段的方式主要有表面開槽、探針加載、采用折疊形貼片和耦合饋電等[1-4]。

現(xiàn)在對終端天線研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新穎的小型單饋電點平面倒F天線。利用商業(yè)軟件 Ansoft HFSS 進(jìn)行了天線模型的計算仿真，使天線能覆蓋GPS、DC、PCS、UMTS以及WLAN等多個頻段，滿足不同實際應(yīng)用的需求。根據(jù)仿真結(jié)果對天線進(jìn)行了試驗件加工，并進(jìn)行了電性能測試，另外將天線安放在載體上進(jìn)行了輻射方向圖的測試。

1 天線設(shè)計和測試結(jié)果

PIFA的諧振頻率表達(dá)式為：其中λ為諧振頻率波長。

式(1)中并沒有考慮短路板寬度W的變化。從圖1表面電流的分析結(jié)果來看，四分之一波長應(yīng)為電流流經(jīng)短路板和平板單元的總有效長度。

圖1 PIFA表面電流隨輻射貼片大小比L1/L2和短路片寬度W的變化[6]

因此，當(dāng) W / L1= 1時，諧振頻率表達(dá)時為：

當(dāng)0 ＜ W / L1＜ 1 時，諧振頻率計算公式如下：

式中1/r W L= ，12/k L L= ，諧振頻率1f由式(2)得到。

諧振頻率2f由下式得到：

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（5）確定設(shè)計的PIFA的初始尺寸，通過改變天線的饋電形式，利用HFSS軟件不斷優(yōu)化改進(jìn)，最終確定天線的形式如圖2所示。圖2所示的天線主要由接地板、輻射貼片、短路片、饋電貼片和饋電探針組成。饋電探針與饋電貼片直接相連，并通過饋電貼片與輻射貼片之間的耦合對輻射貼片進(jìn)行饋電。通過將饋電貼片改為階梯型來改善天線的頻帶特性擴(kuò)展帶寬。

最終天線的設(shè)計尺寸為：

接地板尺寸：L=60 mm,110W= mm;

輻射貼片尺寸： Lp= 2 8mm,Lpe=3mm;

短路片尺寸：H=8 mm, W=5 mm;

饋電貼片尺寸： Lc1= 1 4mm, hc= 1 .5mm;

Lc2= 1 4mm,W2=9mm;

饋電點位置：F=5 mm。

根據(jù)最終的設(shè)計尺寸，對天線進(jìn)行了試驗件加工和測試，圖3為天線端口的反射參數(shù)S11測試的曲線，測試結(jié)果顯示天線的S11在1 500～1 650 MHz和1 710～2 670 MHz頻帶內(nèi)小于-9.5 dB，覆蓋GPS/DCS/PCS/UMTS/WLAN等多個頻段。圖4為天線仿真方向圖與測試方向圖比較，從圖4可以看出，天線最大增益大于1 dBi，天線在全向范圍內(nèi)波動5 dB左右，可完全滿足實際使用要求。表1為天線在主要頻點的測試增益值。

圖2 PIFA結(jié)構(gòu)示圖

圖3 天線實測反射參數(shù)S11曲線

圖4 天線在1 800 MHz時的仿真與測試方向

表1 天線在主要頻點的測試增益值

2 載體對天線性能的影響

天線作為終端設(shè)備的一部分，最終需要安裝終端載體上的，因此終端載體對天線性能的影響必須進(jìn)行考慮。圖5為天線安裝在便攜式筆記本電腦一側(cè)時的測試方向圖。從圖5可以看出：由于筆記本電腦內(nèi)主板、鍵盤地板及電池等的影響，天線方向圖發(fā)生了一些畸變，尤其在x-z平面內(nèi)，方向圖變形較為嚴(yán)重，但總體而言仍是全向性的。測試結(jié)果表明，該天線適用于終端通信設(shè)備。

圖5 天線安裝在便攜式筆記本電腦一側(cè)時的測試方向圖（f=1 800 MHz）

3 結(jié)語

通過對已有的各種不同形式的終端天線研究，提出了一種適用于終端通信設(shè)備的小型寬頻帶天線，利用商用軟件Ansoft HFSS的對天線方案進(jìn)行了仿真優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了天線試驗件加工和測試，測試結(jié)果顯示天線的反射參數(shù)S11在1 500～1650 MHz和1 710～2 670 MHz頻帶內(nèi)小于-9.5 dB, 覆蓋GPS、DCS、PCS、UMTS以及WLAN等終端設(shè)備通信頻段。在封閉微波暗室內(nèi)對試驗件天線輻射方向圖和增益進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示天線實際性能滿足終端設(shè)備的使用要求。

[1] CHEN H T, WONG K L, CHIOU T W. PIFA With a Meandered and Folded Patch for the Dual-band Mobile Phone Application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,51(09)：2468-2471.

[2] GUO Y X, TAN H S. New Compact Six-Band Internal Antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2004(03)：295-297.

[3] LIN S Y. Multiband Folded Planar Monopole Antenna for Mobile Handset[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2004,52(07)：1790-1794.

[4] 郝鳳玉,周希朗.一種新型超寬帶平面單極微帶天線的設(shè)計與研究[J].通信技術(shù),2008,41(01)：25-27.

[5] 施勝杰,郭輝萍.一種新型超寬帶平面單極天線的設(shè)計[J].通信技術(shù),2009,42(01)：112-114.

[6] HIRASAWA K, HANEISHI M. Analysis, Design, and Measurement of Small and Low-Profile Antennas[M].Boston： Artech House, 1992：165-166.