一种双频PIFA手机天线的设计与仿真＊

刘海强 李 智

（四川大学电子信息学院 成都 610065）

1 引言

PIFA天线是现在手机天线使用的最多的一种内置天线，其具有体积小，增益高，易集成，重量轻，馈电方式灵活，便于获得线极化和圆极化，带宽相对较宽等特点，因此，它在无线通信天线领域得到了很好的应用。随着移动通信的发展，移动电话不仅要与移动电话网络通信外，而且还必须能够与其他设备和网络进行通信，比如Bluetooh，GPS等等。为了满足用户的快速增长的要求，这样就对天线的频段提出更高的要求。天线的频段已经由两频增加到三频、四频甚至更多频段的收发功能。

本文使用一种弯折路径、加载开槽缝技术设计了一种工作于 EGSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）的平面倒 F（PIFA）天线，其尺寸为36.5×14.5×6×12.0mm。通过Ansoft公司的HFSS10.0软件对天线进行建模和仿真，并实际制作天线，测试结果，天线满足终端使用要求。

2 PIFA天线的由来

PIFA天线是由倒L天线的变形而来的，如图1结构就是倒L天线，它由作为垂直元的短单极子和附加在单极子末端的水平单元组成。图1中1是垂直单元，2是水平单元，3是馈电点，4是接地板。由于倒L天线有一个低阻抗值，它基本上是在单极子末端加了一段水平线的垂直短单极子天线，天线的输入阻抗几乎等于短单极子天线的阻抗加上与地面接近的水平线的电抗。为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端附加另外一段倒L型线段，这一变形非常重要，因为倒F天线，不需要在天线和负载之间附加任何电路的情况下，调整它的几何尺寸就能使其输入阻抗具有与负载阻抗相匹配的值，这就是倒L型天线变形成倒F天线（PIFA）的原由。图2所示就是最简单和典型的倒F天线模型。

图1 倒L天线模型

图2 倒F天线模型

3 PIFA天线的基本原理

PIFA天线的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体，它的主要辐射是靠面的辐射，所以天线的面积很重要，这种辐射效果在边缘辐射是最好的，而边缘的场越往外倾斜越好，并以一个较大的地平面作为反射面，这也就是PIFA天线高度如此重要的原因。其具有体积小，增益高，带宽相对较宽等特点，在手机天线中使用最多的天线。天线与地板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是RF地。PIFA天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线的首选方案。使用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。

本文采用的基板材料为普通FR4板，基板厚度为6mm，介电常数为4.5，中心频率分别取900M和1800M。天线尺寸计算公式为［1～2］

式中，L为贴片长度，W为贴片宽度，εe为相对介电常数，εr为介电常数，Δl为缝隙等效长度，fr为天线中心频率。经分析可知，由介电常数和中心频率可得出天线的尺寸。

天线与主板PCB模型一般如图3侧试图和图4俯视图，图4中1是接地板，2是短路片，3是馈电片。实际设计中有所变化。

图3 天线模型侧视图

图4 天线模型俯视图

其中天线的高度对天线的带宽有着非常关键的影响，因此在手机PIFA天线中高度H要大于7mm。由于PIFA天线接地面的作用使频率特性能变得十分稳定，所以设计难度相对较小，任何手机天线厂家都乐于采用PAFA天线做设计，而且采用PIFA天线作为内置天线设计，由于能量只在手机外侧半空间辐射，并具有较高的前后比，也就有较高的SAR值。

4 多频段PIFA天线技术

微带贴片天线实现多频段工作的方法有很多，主要有采用单贴片和多贴片两种。采用单贴片：1）利用几种不同的自然模式；2）通过加载或开槽的方法改变贴片各种自然的场分布，进而使谐振频率受到干扰。这两种方法都可以实现双频或多频工作。采用多贴片：1）利用谐振频率不同的贴片形成双谐振；2）利用多层重叠贴片结构形成多个谐振器，从而产生多频段工作。

较之于多贴片加载，缝隙加载是一种更为理想的实现双（多）频的方式［3～7］，它可以在单层微带天线上实现，制作生产相对简单，且易于和微波电路集成。所以在实际中，PIFA天线多采用开槽的方式实现多频的工作。缝隙的形状可为矩形、U型、H型等等，文中采用弯折路径、开槽U型缝隙加载的方式实现 EGSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）双频段工作，天线的整体形状为字母“G”形状。开槽技术又称“曲流技术”［8］，是通过表面开槽来改变电流路径来实现的，即切断原来的电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，从而改变电流的分布，这样可以改变了公式中的参数，从而改变谐振频率F。由于实际工程中实现容易，设计难度小，性能稳定，成本低等优点，很多手机天线公式普遍采用此种方法。

5 天线的结构尺寸

因为PIFA天线的接地板的大小会影响天线的带宽，所有在设计中必须考虑接地板的大小尺寸，有很多的文献资料对手机接地板尺寸的设计给予了总结，指出在手机天线设计中GSM频段最优接地板尺寸大小为40mm×120mm。如果接地板的尺寸偏离最优尺寸，就会使带宽略有下降，因此合理的设置接地板的尺寸会得到更好的带宽。辐射片和接地板之间的高度H对天线的工作带宽产生严重的影响，带宽随着高度H的增加而增加。一般手机天线中高度都应大于7mm，严禁低于6mm，本天线的高度H为12.0mm。同时馈电与短路之间的距离对天线的工作性能影响很大。经研究发现，当两者很近时，天线的带宽会变小，当两者之间的距离很远时，不利于实现天线的小型化，所以在两者中采取折中取值。本天线取值为L5＝3.4mm。

经过应用 Ansoft公司的 HFSS［9，12］软件进行不断的建模仿真，不断的优化，最终确定天线尺寸如图5所示。

图5 天线尺寸图

天线安装在该地板的上部，外部的几何尺寸为36.5mm×14.5mm。天线与地板之间相距12.0mm，中间填充空气介质。基板的厚度为0.8mm，相对介电常数为2.6。天线是由铜箔制成，厚度为0.15mm。具有物理强度高的特点，从而保证了天线结构的稳定性。由以上几点因素分析，最终设计的天线的几何参数如下：W1＝13.6mm、W2＝12.6mm、W3＝9.1mm、W4＝6.5mm、W6＝6.6mm、W7＝6.0mm、W8＝20.8mm、W10＝3.0mm、W11＝2.5mm、L1＝26.3mm、L2＝9.6mm、L3＝11.0mm、L4＝16.0mm、L5＝13.5mm、L6＝20.6mm。用50Ω同轴馈线。

6 天线仿真结果和实际天线测试结果

设计本天线采用Ansoft公司的HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件进行建模仿真，HFSS是一种高性能的全波电磁仿真环境，基于有限元的数值计算方法，支持3D建模和仿真。对此天线的各参数进行不断的优化取值，得到此PIFA天线的驻波比、回波损耗、辐射方向图的仿真结果、并根据计算结果实际制作了天线和用AV3620网络分析仪实测天线结果。

6.1 天线仿真分析

从图6天线回波损耗仿真结果可以看出，在S11＜6dB，谐振出两个频段，分别为覆盖了GSM和DCS的工作频段。中心频率分别在900MHz和1.8GHz附近，反射系数衰减迅速，反射系数超过－30dB，表明天线的功率效率高。天线的工作频段为 EGSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）双频段，完全覆盖了GSM900M，DCS1800M的所以频率，且天线的相对带宽分别为约8.6%和9.1%。从图7驻波比仿真结果可以看出，满足天线驻波比小于1.5的要求。其值越接近1表示匹配越好，表明此天线的谐振特性很好。从图8和图9给出了900MHz，1800MHz频点的E面和H面的辐射方向图仿真结果，从图中可以看出天线有不错的全向性，最大增益也很好，满足PIFA天线的设计要求，

图6 天线的回波损耗

图7 电压驻波比

6.2 天线的制作与实测

图8 GSM900ME面和H面方向图

为了验证理论分析的正确性，根据仿真结果尺寸，制作了实际天线，此天线结构简单，制作方便，通过对一块薄铜皮进行切割，即可完成制作该天线。该天线实际加工的实物图如图10俯视图。应用AV3620网络分析仪实测天线的S11曲线如图11实测天线回波损耗和图12实测天线驻波比，其有效的工作频段正好为EGSM900（880MHz～960MHz）DCS1800（1710MHz～1880MHz）双频段，与计算机仿真分析的结果基本吻合，说明了理论的正确性。

图10 实际加工天线图

图11 实测天线回波损耗

图12 实测天线驻波比

7 结语

提出了一个能够工作于GSM900（880MHz～960MHz），DCS1800（1710MHz～1880MHz）双频段的小型PIFA天线。该天线采用开槽、弯折路径，在贴片上开了一个类似字母“U”形槽实现了双频特性，对缝隙不断的调整U形槽的尺寸和建模仿真，并优化馈电点和短路点之间的距离和辐射片的长度和宽度来改善天线的阻抗匹配参数和带宽，最终得到实际应用中所需的对应频段，也达到了终端的使用要求。天线的整体形状为典型字母“G”型，该天线具有体积小，易集成，加工成本低，容易制作等优点。适用于移动通信终端。

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