基于DGS的三頻PIFA設(shè)計(jì)

姜 宇，楊 帆，孫岳忠，伍 越

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001)

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，小型多頻天線得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究.而手機(jī)天線作為發(fā)射和接收電磁波的重要射頻前端器件，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)也必定是小型化、多頻化和內(nèi)置化[1].

微帶天線以其體積小，質(zhì)量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形，能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，簡(jiǎn)化了整機(jī)的制作和調(diào)試，大大降低了成本，并便于實(shí)現(xiàn)圓極化、雙極化和多頻段等優(yōu)點(diǎn)得到日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用.由于這些特點(diǎn)，微帶天線在無(wú)線通信領(lǐng)域中非常具有吸引力.而PIFA是微帶天線演變而來(lái)的，因此PIFA以其低輪廓、質(zhì)量輕、多頻段和內(nèi)置天線等特點(diǎn)很容易的應(yīng)用于個(gè)人通信設(shè)備中[2－3].實(shí)現(xiàn)其多頻段技術(shù)主要采用單層多模、多層重疊貼片和單層加載的方法.其中單層加載技術(shù)中的縫隙加載，也就是通常所說(shuō)的貼片表面開(kāi)槽設(shè)計(jì)，以其簡(jiǎn)單實(shí)用、易于加工、有效降低天線尺寸的優(yōu)勢(shì)引起了普遍關(guān)注[4－6].但是，PIFA的窄頻帶是其在無(wú)線通信應(yīng)用中的一個(gè)限制.利用在接地板上開(kāi)槽的技術(shù)，即缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS－detected ground structure)，可以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶要求[7].DGS結(jié)構(gòu)也是通過(guò)在電路的接地板上蝕刻出缺陷圖案，以改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變微帶線的有效電感和有效電容，使得由DGS結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微帶線具有慢波特性和帶阻特性[8－9].因此，DGS結(jié)構(gòu)可以用來(lái)抑制天線高次諧波、提高天線增益和帶寬、改善效率、提高Q值等.同時(shí)可以用電路模型來(lái)解釋PIFA輻射貼片和有限接地板之間的相互影響的關(guān)系，而接地板的尺寸和形狀在實(shí)現(xiàn)終端天線寬頻帶過(guò)程中起著重要作用，在接地板開(kāi)槽能夠優(yōu)化天線的寬頻帶[10].

本文基于對(duì)小型化、多頻化天線的分析研究提出一種新型缺陷地結(jié)構(gòu)的平面倒F型三頻微帶天線.該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在輻射貼片上利用開(kāi)槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙頻操作，同時(shí)在接地板上通過(guò)缺陷地結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了諧振、展寬頻帶和結(jié)構(gòu)的小型化.通過(guò)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可在GSM(880～960 MHz)/DCS(1710～1880 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)3個(gè)頻段工作的三頻天線，并且在各個(gè)頻段的頻帶寬度也比較理想.

1 天線結(jié)構(gòu)及分析

1.1 開(kāi)槽設(shè)計(jì)分析

常用的微帶天線是在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為基地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針針對(duì)貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線.而在手機(jī)中應(yīng)用的天線即為變形的微帶貼片天線，其輻射在微帶天線導(dǎo)體邊沿與接地板之間的邊緣產(chǎn)生的.以微帶貼片天線為例，它由介質(zhì)基片、導(dǎo)電貼片與接地板構(gòu)成.假設(shè)電場(chǎng)在沿微帶貼片的寬度與厚度方向沒(méi)有變化的情況下，則電場(chǎng)在輻射貼片上僅與輻射貼片長(zhǎng)度方向變化有關(guān)，整個(gè)貼片可以等效為相距一定長(zhǎng)度(貼片長(zhǎng)度)、同相激勵(lì)并向地板以上半空間輻射的2個(gè)縫隙.同理，按照相同的分析方法將電場(chǎng)隨著貼片寬度的變化也考慮進(jìn)去，則微帶貼片天線就可以用貼片周?chē)?個(gè)縫隙來(lái)表示[11－12].

一般意義上的PIFA是在微帶天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，將其輻射貼片的一端利用饋電和短路壁與接地板相連的方式進(jìn)行短路，另一端開(kāi)路(即懸空)，中間采用空氣作為介質(zhì)，不加其他任何處理，只要設(shè)計(jì)好天線的尺寸以及饋電點(diǎn)，就能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)或者更多的諧振頻率.

由PIFA的諧振頻率簡(jiǎn)化公式入手:

其中:L1、L2分別為天線輻射貼片的長(zhǎng)度和寬度.因?yàn)樘炀€本身就是一個(gè)一端開(kāi)路并且可以向外界輻射電磁波的諧振體，其最本質(zhì)的特性即為諧振頻率，而其諧振頻率主要就是由輻射體本身的長(zhǎng)度、寬度這些結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)決定的，其他的結(jié)構(gòu)(如短路壁、開(kāi)槽等)都可以針對(duì)諧振頻率在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)輻射貼片的寬度L2還在一定程度上影響微帶天線的頻帶寬度和輻射效率.在尺寸允許的條件下輻射貼片寬度L2取得適當(dāng)大些對(duì)頻帶、效率和阻抗匹配都有利.

通常，天線的頻帶以輸入端電壓駐波系數(shù)VSWR值小于某個(gè)給定值的頻率范圍BW來(lái)表示.若VSWR給定值為s，則VSWR＜s時(shí)的帶寬計(jì)算公式如下.

其中:Q是天線的總Q值.可以利用增大高度h來(lái)增加傳輸線特性阻抗，進(jìn)而展寬頻帶.當(dāng)高度h＜λ/16時(shí)，VSWR≤2的頻帶寬度的經(jīng)驗(yàn)公式可近似為BW=5.04f2h.由此式可知，當(dāng)諧振頻率f確定后，可調(diào)節(jié)天線高度能夠影響天線帶寬.

上述的因素是相互制約的，若為了展寬頻帶和提高效率而增大輻射貼片的高度h，將會(huì)增加整個(gè)天線的質(zhì)量，而且會(huì)破壞天線的低剖面特性，這對(duì)于空間小、精度高的手機(jī)天線是不可取的，因此需要綜合考慮這些相互制約因素，以達(dá)到最佳的效果.

PIFA“開(kāi)槽”技術(shù)是在其輻射貼片上進(jìn)行“開(kāi)槽”，其貼片結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，則表面的自然模就會(huì)被改變，表面的電流分布也隨之發(fā)生了改變，這樣，就可能會(huì)對(duì)原來(lái)的諧振產(chǎn)生較大的影響(包括其諧振頻率和帶寬)，而且還會(huì)產(chǎn)生新的附加頻率，即所謂的“多頻”諧振，此時(shí)的手機(jī)天線就是貼片天線和縫隙天線的組合[13].貼片天線容易設(shè)計(jì)加工，可以雙頻工作;縫隙天線可以產(chǎn)生單向或者雙向方向圖，并且對(duì)制造公差的敏感性比貼片天線小.限于手機(jī)對(duì)天線體積、質(zhì)量和制造工藝的要求，在貼片上開(kāi)槽，通過(guò)人工額外加載縫隙的辦法，較小限度地改變天線結(jié)構(gòu)，而較大限度地改變貼片表面的電流分布，從而實(shí)現(xiàn)增加頻段、擴(kuò)展頻帶的目的.只要仔細(xì)調(diào)整開(kāi)槽的位置，槽的尺寸以及開(kāi)槽縫隙的寬度，同時(shí)在合適的位置加載短路壁和饋電點(diǎn)，就有可能使高次模的諧振頻率降低到需要的頻段，同時(shí)又不影響低次模在低頻段上的應(yīng)用.因此，近年來(lái)在多頻天線設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采取這種方法[14].

DGS通過(guò)在電路的接地板上蝕刻缺陷的圖案形成的，在接地板上蝕刻缺陷的圖形會(huì)擾亂接地板上傳到電流的分布，改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變基于該介質(zhì)上共面波導(dǎo)的分布電感和分布電容，進(jìn)而使得此類共面波導(dǎo)具有帶隙特性和慢波特性.由于DGS僅由一個(gè)缺陷單元構(gòu)成，因此它的帶隙中心頻率僅由該缺陷單元結(jié)構(gòu)決定[15].DGS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需引入電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算;同時(shí)通過(guò)采用簡(jiǎn)單的LC等效電路建模可實(shí)現(xiàn)電路級(jí)的快速分析.在同等工藝條件和性能要求上，對(duì)考慮電路尺寸而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)成本變動(dòng)較敏感的手機(jī)集成電路而已，DGS結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[16－18].

1.2 天線結(jié)構(gòu)分析

本文所設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)包括一個(gè)上層的主輻射貼片(圖1)，下層的接地板(圖2)、同軸饋電線和一個(gè)短路壁.如圖1所示，同軸饋線距主輻射貼片的長(zhǎng)邊和短邊分別為3 mm和6.5 mm，短路壁長(zhǎng)度為3mm;接地板大小為100mm×40mm，天線的輻射貼片安裝在該地板的上部，外輪廓尺寸44 mm×25 mm.圖3給出了天線整體的側(cè)視圖，從圖3中可以看到天線和地板之間相距4 mm，天線L型開(kāi)槽輻射貼片和DGS均蝕刻在0.4 mm的FR－4介質(zhì)上.輻射貼片上用L型槽可以實(shí)現(xiàn)雙頻功能，并通過(guò)短路壁與接地板相連;接地板上加載DGS，增加天線的諧振頻率，使天線的整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三頻功能;天線采取同軸饋電，內(nèi)導(dǎo)體接在主輻射貼片即天線上，外導(dǎo)體與接地板背面的傳輸線相接，通過(guò)與饋電點(diǎn)的匹配調(diào)節(jié)，即優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與同軸線50Ω的阻抗匹配，降低回波損耗，在圖4中，可以看到其反射系數(shù)(S11)小于－5 dB(此時(shí)天線可以正常工作)，同時(shí)將普通的接地板和開(kāi)槽的接地板在他們的諧振頻率和帶寬上進(jìn)行了比較，可以看出接地板的DGS對(duì)高頻帶寬具有很大的影響，實(shí)現(xiàn)了展寬天線頻帶的目的，達(dá)到了一定的帶寬要求.

為了使其結(jié)構(gòu)尺寸減小，天線的輻射單元利用開(kāi)槽技術(shù)蝕刻出縫隙，并在輻射單元進(jìn)行L型開(kāi)槽以及在接地板上蝕刻出DGS，同時(shí)通過(guò)仿真計(jì)算不斷的優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸，調(diào)整其各個(gè)頻帶的寬帶以及反射系數(shù)等其他參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了在GSM端f1帶寬84 MHz大約為9.14%，在DCS端f2帶寬197 MHz大約為10.94%，在UMTS端f3帶寬319 MHz大約為15.49%.天線的具體尺寸在其結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)出，如圖1～3所示(單位:mm).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加載DGS和未加載DGS時(shí)對(duì)S11參數(shù)的影響

本文基于接地板的DGS及主輻射貼片的L槽分析設(shè)計(jì)了一種的平面倒F型天線，并通過(guò)仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)了其三頻的功能.圖4為加載和未加載DGS時(shí)的天線反射系數(shù)特性曲線，由圖4可見(jiàn)，天線在加載DGS后不僅擴(kuò)寬了頻帶，并且實(shí)現(xiàn)了三頻的目的.該天線實(shí)現(xiàn)了877～961 MHz，1 703～2 219 MHz，頻帶內(nèi)S11＜－5 dB(此時(shí)天線能夠正常工作)，因此天線頻帶完全覆蓋GSM/DCS/UMTS的工作頻段.

圖4 加載DGS和未加載DGS時(shí)的S11對(duì)比

2.2 DGS長(zhǎng)度對(duì)S11參數(shù)的影響分析

通過(guò)仿真，發(fā)現(xiàn)DGS的長(zhǎng)度對(duì)于兩個(gè)高頻諧振的影響非常敏感，取DGS長(zhǎng)度分別為24.3、23.3、22.3 mm，通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)DGS長(zhǎng)度減小時(shí)兩個(gè)諧振頻率都開(kāi)始向更高頻段移動(dòng)，其相應(yīng)的S11值變大，頻帶變窄，如圖5所示，通過(guò)優(yōu)化，最終取DGS的長(zhǎng)度為24.3 mm，寬度為8 mm，此時(shí)獲得兩個(gè)高頻是我們所需要的.

圖5 DGS不同長(zhǎng)度時(shí)仿真S11

2.3 槽短邊寬度對(duì)S11參數(shù)的影響分析

在天線輻射貼片結(jié)構(gòu)中一個(gè)非常重要的參數(shù)就是L槽短邊寬度，即相應(yīng)的圖6中的參數(shù)L1的長(zhǎng)度.當(dāng)調(diào)節(jié)L1的長(zhǎng)度時(shí) ，可以明顯地改變高頻的頻率值和其相應(yīng)的反射系數(shù).從圖6可以清楚地反映出，高諧振頻率都隨著L1增大(即相應(yīng)L槽短邊寬度減小)而不斷減小，這就為確定該諧振頻率提供了方向，基于這種思路進(jìn)行了相關(guān)的天線仿真，并通過(guò)對(duì)L槽的其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化其相應(yīng)的帶寬，最終確定取L1為8 mm，實(shí)現(xiàn)了GSM900 MHz/DCS1 800 MHz雙頻工作.

圖6 L1處不同長(zhǎng)度時(shí)的S11仿真

2.4 輻射方向圖分析

圖7、8 是按照前述的各項(xiàng)優(yōu)化參數(shù)，給出的該天線在3個(gè)諧振點(diǎn)處的E面和H面的輻射方向圖.從圖7、8中可以清楚地看出，天線在900、1 800、2 140 MHz 3個(gè)頻段方向圖的全向性也很好.

由于PIFA屬于小型天線，設(shè)計(jì)上的微小誤差對(duì)小天線性能都有很大影響，而且各個(gè)參數(shù)互相制約，因此有必要對(duì)上述的幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，綜合比較，才能優(yōu)化出合適的天線尺寸，得到理想的性能指標(biāo).

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的新型平面倒F型天線.該天線由于設(shè)計(jì)了接地板上的缺陷地結(jié)構(gòu)，從而拓寬了其頻帶寬度，使天線在880～960 MHz/1 710～2 170 MHz頻率范圍內(nèi)的S11達(dá)到了 －5 dB以下，滿足移動(dòng)終端在GSM900 MHz/DCS1 800 MHz/UMTS2 000 MHz三個(gè)頻段的使用要求.通過(guò)仿真計(jì)算分析，討論了主要參數(shù)的變化對(duì)于諧振頻率及頻帶寬度的影響，同時(shí)對(duì)天線的反射系數(shù)和輻射方向圖進(jìn)行了說(shuō)明，為后續(xù)包含其他頻帶的多頻以及寬頻天線的研究打下了基礎(chǔ).

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