具備濾波效果的帶開(kāi)路枝節(jié)的PIFA天線(xiàn)設(shè)計(jì)

秦祥宏

（深圳市共進(jìn)電子股份有限公司，廣東 深圳 518122）

0 引言

Wi-Fi已經(jīng)成為人們接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主要方式，隨著無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的大量應(yīng)用，人們對(duì)無(wú)線(xiàn)連接速率、穩(wěn)定性的要求不斷上升，現(xiàn)在高速Wi-Fi6(IEEE802.11AX)雙頻已經(jīng)推出市場(chǎng)，未來(lái)增加Wi-Fi6E的6 GHz頻段，這些頻段的信道寬度從20 MHz、40 MHz、80 MHz、160 MHz、320 MHz不斷的增加，相鄰信道之間的干擾就逐漸嚴(yán)重，或者帶外雜散信號(hào)的干擾程度也在加劇。

對(duì)于信道間的干擾問(wèn)題，可以從電路上去修改設(shè)計(jì)，增加濾波器抑制信道帶外雜散，提升信道隔離段抑制等技術(shù)，但是帶來(lái)的弊端是很明顯的。假如在天線(xiàn)端如果能夠?qū)崿F(xiàn)濾波的功能，疊加電路端的濾波功能，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的抑制，將是一個(gè)低成本的可行方法。本文提出一種應(yīng)用于Wi-Fi頻段（2.4 GHz）的PIFA天線(xiàn)，采用增加開(kāi)路枝節(jié)的設(shè)計(jì)方法，可明顯改善對(duì)近帶和遠(yuǎn)帶頻段的抑制度。通過(guò)仿真分析和實(shí)物的測(cè)試驗(yàn)證，確認(rèn)了本設(shè)計(jì)的可行性。

1 PIFA天線(xiàn)概述

平面倒F天線(xiàn)（PIFA）是平面單極子天線(xiàn)的一種變形，其目的是為了解決倒L天線(xiàn)輸入阻抗不易調(diào)節(jié)的問(wèn)題[1]。在天線(xiàn)的饋電端，電流最大而電壓最小，電流沿著天線(xiàn)逐漸減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)末端時(shí)，電壓最大而電流最小。按照阻抗與電壓和電流的關(guān)系，在天線(xiàn)的輸入端阻抗最小，最末端阻抗最大，根據(jù)基本理論可知，半波偶極子的阻抗為73.1 Ω，單極子是半波對(duì)稱(chēng)振子的一半，則其阻抗為36.5 Ω[2]。通常通信設(shè)備射頻端口特性阻抗為50 Ω，所以阻抗并不匹配。由于PIFA天線(xiàn)上阻抗沿著本體在變化，所以必然能在輸入端和末端找到一點(diǎn)，從這點(diǎn)引出饋電點(diǎn)來(lái)匹配50 Ω，這就是倒F天線(xiàn)的由來(lái)。如圖1所示。

圖1 常規(guī)PIFA結(jié)構(gòu)

平面倒F天線(xiàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以改變饋電位置，將輸入阻抗調(diào)整至50 Ω，在設(shè)計(jì)倒F天線(xiàn)的時(shí)候，主要有三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定天線(xiàn)的輸入阻抗、諧振頻率和阻抗帶寬等性能[3]。這三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是天線(xiàn)的諧振長(zhǎng)度L，天線(xiàn)的高度H及兩條垂直臂之間的距離S。各個(gè)參數(shù)的具體影響如下：

（1）當(dāng)L長(zhǎng)度增加時(shí)，天線(xiàn)的諧振頻率降低，輸入阻抗降低。反之，當(dāng)L長(zhǎng)度減小時(shí)，天線(xiàn)的諧振頻率升高，輸入阻抗變大。

（2）當(dāng)H增加時(shí)，諧振頻率降低，輸入阻抗增加。當(dāng)H減小時(shí)，諧振頻率升高，輸入阻抗減小。

（3）當(dāng)S增加時(shí)，諧振頻率升高，輸入阻抗減小。當(dāng)S減小時(shí)，諧振頻率降低，輸入阻抗增加。

按照上述原則[4]構(gòu)建一個(gè)常規(guī)PIFA天工作在Wi-Fi的2.4 GHz頻段，模型設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)仿真軟件CST進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 常規(guī)PIFA基本形態(tài)

解讀圖3所示常規(guī)PIFA的S11圖可以知道，天線(xiàn)在2.4～2.5 GHz頻段中，S11已經(jīng)達(dá)到最低-30 dB的低點(diǎn)，完全可以滿(mǎn)足回波損耗的技術(shù)參數(shù)要求，需要看臨近頻率點(diǎn)的S11相差值有多大。

圖3 常規(guī)PIFA的S11圖

表1 常規(guī)PIFA仿真S11各頻點(diǎn)值

長(zhǎng)期以來(lái)，我們都是可以接受這個(gè)指標(biāo)的，并沒(méi)有覺(jué)得有什么不妥，但是在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)一些很?chē)?yán)重的問(wèn)題。例如，在2.4 GHz頻段與5 GHz頻段兩個(gè)信號(hào)通道同時(shí)工作時(shí)，主板2.4 GHz頻段主晶振的諧波分量嚴(yán)重干擾5 GHz頻段，導(dǎo)致5 GHz頻段的無(wú)線(xiàn)流量出現(xiàn)快速下降，一旦關(guān)閉2.4 GHz頻段信號(hào)，5G頻段無(wú)線(xiàn)流量恢復(fù)正常。再例如，10 Gbps的GPON模塊對(duì)2.4 GHz頻段信號(hào)有明顯的干擾阻塞作用，一旦同時(shí)處于工作狀態(tài)，2.4 GHz頻段無(wú)線(xiàn)信號(hào)流量會(huì)明顯下降，關(guān)閉GPON模塊后，2.4 GHz頻段信號(hào)流量恢復(fù)正常，所以這些信號(hào)都在相互干擾，形成復(fù)雜的竄擾機(jī)制。常規(guī)解決方案就是采用引言中所提到的，在PCB的信號(hào)通路中增加濾波器以抑制干擾，將干擾信號(hào)降低到可以對(duì)有用信號(hào)基本不產(chǎn)生負(fù)面效果的程度，但是如此以來(lái)，又出現(xiàn)了幾個(gè)方面的副作用：一是大幅增加成本；二是明顯增加信號(hào)通道的衰減；三是增加電路設(shè)計(jì)難度。

PIFA天線(xiàn)因?yàn)橄忍斓男〕叽绲膬?yōu)勢(shì)，在各種小型通信產(chǎn)品中應(yīng)用極為廣泛[5]，但是對(duì)PIFA天線(xiàn)的抗干擾性的研究、從濾波功能方向去思考的文獻(xiàn)很少，說(shuō)明這個(gè)思路還需要挖掘更好的設(shè)計(jì)方法。

2 天線(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

本文提出一種新的帶濾波效果的PIFA天線(xiàn)，在常規(guī)PIFA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變天線(xiàn)的接地結(jié)構(gòu)，在接地塊上端形成開(kāi)路線(xiàn)，此開(kāi)路線(xiàn)同時(shí)也成了PIFA天線(xiàn)的饋電點(diǎn)的接地點(diǎn)，然后在開(kāi)路線(xiàn)上選取一個(gè)點(diǎn)形成輔助的短路線(xiàn)，建立圖4的仿真模型[6]，此模型與圖2所示的常規(guī)PIFA的尺寸基本相同，例如，大地面、天線(xiàn)高度、輻射振子長(zhǎng)度、饋點(diǎn)位置都完全相同，天線(xiàn)的諧振頻率為2.4 ～2.5 GHz[7][8]。

圖4 改進(jìn)型PIFA仿真模型

改進(jìn)型PIFA仿真S11各頻點(diǎn)值如表2所示。

表2 改進(jìn)型PIFA仿真S11各頻點(diǎn)值

從兩種天線(xiàn)在2.5 GHz有用頻點(diǎn)之外的臨近頻點(diǎn)，例如3 GHz和3.5 GHz兩個(gè)點(diǎn)的差值Δ可以看出明顯的變化，改進(jìn)型天線(xiàn)模型在2.5 GHz到3 GHz這一段的駐波上升速率加快很多[9]。從表3的數(shù)據(jù)可以得出差值Δ，這一段的衰減抑制速率加快對(duì)信號(hào)的帶外衰減是非常重要的，可形成對(duì)鄰頻的明顯抑制作用。

表3 改進(jìn)型和常規(guī)PIFA的頻點(diǎn)差值

在3 GHz這個(gè)頻點(diǎn)的差值是最大的，達(dá)到了7.346 dB，這個(gè)差值在實(shí)際產(chǎn)品中是可以等效為兩級(jí)LC微帶濾波器的抑制度，換種理解就是，天線(xiàn)已經(jīng)可以類(lèi)似替代兩級(jí)LC濾波器的效果。

比較前后兩個(gè)PIFA的輻射場(chǎng)型，兩個(gè)模型的輻射場(chǎng)型基本一致，沒(méi)有出現(xiàn)信號(hào)畸變的情況，說(shuō)明增加的開(kāi)路線(xiàn)和短路線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)輻射特性是沒(méi)有負(fù)面效果的。

從圖5、圖6可以看出，饋點(diǎn)是電流的最大位置，這個(gè)電流會(huì)在對(duì)應(yīng)的地面產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合電流，如果這個(gè)電流場(chǎng)被改變，那么天線(xiàn)的輸入端的阻抗就會(huì)改變，改進(jìn)型的PIFA通過(guò)開(kāi)路線(xiàn)的引導(dǎo)，電流場(chǎng)和大地是隔絕的，然后再經(jīng)過(guò)高阻抗的短路線(xiàn)與地形成連接，這種電流分布與常規(guī)PIFA上具有完全不同的阻抗值。本質(zhì)的差異就是改進(jìn)型PIFA的輸入阻抗值是由饋點(diǎn)線(xiàn)、開(kāi)路線(xiàn)、短路線(xiàn)、有限地、接地段組成的矩陣阻抗共同構(gòu)成，通過(guò)修改有限地的尺寸，可以改變諧振頻率，尺寸減小輸入端阻抗呈現(xiàn)容性，諧振頻率上移，反之則相反。常規(guī)PIFA的阻抗相對(duì)簡(jiǎn)單，由饋點(diǎn)線(xiàn)、地面、接地段的矩陣阻抗形成。

圖5 常規(guī)PIFA表面電流分布

圖6 改進(jìn)型PIFA表面電流分布

3 實(shí)物制作及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真的結(jié)果，我們制作了實(shí)物樣品（圖7），經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，確認(rèn)實(shí)物樣品的性能與仿真結(jié)果吻合度很高。

圖7 天線(xiàn)實(shí)物

我們?cè)賮?lái)整理每個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差值Δ，并與仿真結(jié)果做個(gè)對(duì)比。

表4 實(shí)物樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

改進(jìn)型和常規(guī)型PIFA天線(xiàn)的增益值和輻射效率分別如表5、表6所示。

表5 改進(jìn)型和常規(guī)型PIFA天線(xiàn)的增益值

表6 改進(jìn)型和常規(guī)型PIFA天線(xiàn)的輻射效率

圖7中，主板上面為帶開(kāi)路枝節(jié)的改進(jìn)型PIFA天線(xiàn)，主板下面為常規(guī)PIFA天線(xiàn)，尺寸按照仿真模型制作。中間的主板尺寸為100 mm×55 mm×1 mm，雙面板，板材使用FR4基板，銅箔厚度為0.035 mm（1盎司）。改進(jìn)型和常規(guī)型PIFA天線(xiàn)的S11對(duì)比如圖8所示。

從表5、表6可以看出，改進(jìn)型PIFA的增益值比常規(guī)性PIFA稍高，這可以解讀出輻射信號(hào)的覆蓋區(qū)域稍微集中，導(dǎo)致某一個(gè)區(qū)域信號(hào)峰值較高。

改進(jìn)型PIFA的輻射效率與常規(guī)性PIFA基本持平，說(shuō)明兩種天線(xiàn)的輻射特性基于同樣的基材條件下，是可以達(dá)到同樣的輻射性能的。

我們還整理出輻射圖形（圖9、圖10），因?yàn)楦倪M(jìn)型PIFA的接地點(diǎn)的不同，導(dǎo)致地電流分布差異非常大，該地電流是PIFA輻射的鏡像電流，此電流形狀改變必會(huì)導(dǎo)致PIFA天線(xiàn)的輻射方向的改變。

圖9 常規(guī)PIFA天線(xiàn)輻射圖

圖10 改進(jìn)型PIFA輻射圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種具備濾波效果的帶開(kāi)路枝節(jié)的PIFA天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，采用該方法設(shè)計(jì)的天線(xiàn)具備良好的輻射特性，該方法可以應(yīng)用于不同頻率的PIFA天線(xiàn)設(shè)計(jì)中，適用于小型電子產(chǎn)品的天線(xiàn)設(shè)計(jì)，可明顯提高邊帶抑制指標(biāo)?！?/p>