一种新型三频PIFA天线设计

赵欢欢,姚爱琴,孙运强,杨建旭

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原　030051)



一种新型三频PIFA天线设计

赵欢欢,姚爱琴,孙运强,杨建旭

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原030051)

摘要针对天线的多频问题,提出一种新型的三频段平面倒F天线(PIFA天线),该结构采用在辐射贴片上开U形槽和∏形槽来实现。通过HFSS13.0对天线模型进行仿真分析,使得天线最终工作于GSM(890～960 MHz)、DCS(1 710～1 880 MHz)和ISM2 400 MHz(2 400～2 484 MHz)3个频段。仿真结果表明,3个频段的相对带宽分别为10%、6%和11%,能满足通信要求。此外,天线整体辐射性能良好,且结构简单。

关键词PIFA天线;开槽;无线通信

Design of a Novel Tri Band PIFA Antenna

ZHAO Huanhuan,YAO Aiqin,SUN Yunqiang,YANG Jianxu

(Dynamic Testing Laboratory of Instrumentation Science of the Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

AbstractAiming at the problem of multi frequency antenna,a novel planar inverted F antenna (PIFA antenna) is proposed by using the U shaped groove and groove on the radiation patch.Through the simulation analysis of the antenna model by HFSS13.0,the antenna is made up of the three frequency bands of GSM (890~960 MHz),DCS (1 710~1 880 MHz) and ISM2 400 MHz (2 400~2 484 MHz).The results show that the relative bandwidths of the three frequency bands are 10%,6% and 11%,respectively,which meet the requirements of communication.The antenna has good overall radiation performance and simple structure.

KeywordsPIFA antenna;slotting;wireless communication

随着现代无线通信的急速发展,无线设备终端越来越向小型化、多功能化等方向发展,以及提高对于系统集成度的要求,小型双频甚至多频微带天线也逐渐成为热点。微带天线实现双多频工作的方法有多种,根据不同的尺寸及性能要求,实现工作的方法也不尽相同。一般,实现双多频工作的方式有[1]:加载集总元件[2-4]、多层贴片[5]、多模正交[6]和缝隙加载等。对于PIFA天线实现多频段工作,通常使用双馈点或者在PIFA天线辐射金属片上采用开槽的技术来设计。但使用双馈点时,调谐频率和调谐范围受到一定限制,所以,在PIFA天线的实际设计中,多采用开槽的方式来实现多频工作。文献[7]采用弯折开槽缝隙加载结构的微带天线实现 DCS和 WLAN 的双频工作特性。文献[8~9]是采用树状分形方法设计性能良好的双频天线。

1天线结构设计与理论分析

1.1结构设计

天线结构如图1所示,包括接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴线。其中,接地平面作为反射面,辐射单元是与其平行的金属片,短路金属片用于连接辐射金属片和接地平面,同轴线用于信号传输。选择的介质为Rohacell射频泡沫,其相对介电常数εr=1.06,损耗正切tanδ=0.005。

图1　天线立体图

对于矩形辐射贴片来说,辐射贴片尺寸与谐振频率的关系如下

(1)

辐射单元长度

(2)

有效介电常数

(3)

对于辐射贴片上的开槽,谐振频率可通过式(4)估算得到

(4)

其中,c为光速,H为辐射贴片厚度,L1、W1为辐射贴片的长度与宽度,L1、L2、W2、W3分别为所开槽的长度与宽度。

图2　天线俯视图

1.2理论分析

在辐射贴片上开U形槽后,U形槽可围成一个矩形单元,改变了天线表面电流的路径,使得电流路径的有效长度增加,相当于一个新的辐射单元,可在一定的频率产生谐振,得到f2。矩形辐射贴片产生较低的谐振频率f1,从而得到双频。在U形槽内接着开一个形槽,电流路径再次被切断,电流将绕过缝隙流动,相应地产生一个更高的谐振频率f3。至此,PIFA天线的3个谐振频率均已得到。

2仿真结果分析

图3是通过HFSS13.0仿真分析的天线S11结果图,从图中可看出,在其他参数不变的情况下,改变矩形辐射贴片L1的尺寸,回波损耗S11的变化情况。当L1增加时,天线的低频谐振点逐渐变大,而其他谐振点基本不变。这说明矩形贴片的长度对低频谐振点有较大影响,而对其他频谐振点基本不影响,但会影响整个天线的性能。即选择合适的L1等参数的值,可有效改变天线特性,使天线具有更好的多频特性。文中主要分析了参数L1,L2,L3对天线性能的影响,选取最适合的参数值,使得天线设计更简便。

图3　L1、L2和L3对回波损耗S11的影响情况

图4为选择合适的参数L1=53 mm、L2=27 mm、L3=19 mm时得到的最优参数之后的仿真结果。从图中可看出,天线满足GSM(890～960 MHz)、DCS(1 710～1 880 MHz)、ISM2 400 MHz(2 400～2 484 MHz)。

图4　选择最优参数时的S11

mm

天线在3个谐振频点处的增益方向图,如图5~图7所示。其中图5是中心频率为900 MHz的GSM频段方向图,其增益最高可达2.11 dB,天线在E面方向性良好,前后比满足要求,在H面上,几乎为全向;图6为中心频率为1 760 MHz的DCS频段方向图,其增益为0.82 dB;图7为中心频率为2 470 MHz的ISM频段方向图,增益最高可达5.60 dB,还可看出天线方向性良好,后瓣较小。

图5　f=0.9 GHz时,天线在xz和yz截面上的增益方向图

图6　f=1.75 GHz时,天线在xz和yz截面上的增益方向图

图7　f=1.75 GHz时,天线在xz和yz截面上的增益方向图

3结束语

提出了一种新颖的三频微带贴片天线,在保证天线尺寸的情况下,通过改变辐射贴片的尺寸,在贴片上同时开U形和形槽使之谐振频率发生改变,同时采用50 同轴线馈电,集总端口的激励方式实现。通过HFSS13.0仿真优化,可看出不同尺寸对天线谐振频率的影响,分析得到天线最佳尺寸和形状,从而得出天线可同时工作于GSM(890～960 MHz)、DCS(1 710～1 880 MHz)、ISM2 400 MHz(2 400～2 484 MHz)3个频段,最高增益约为7.6 dB。关键指标基本满足微带天线的设计要求,且天线结构简单,具有良好的使用价值。

参考文献

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[3]马晓洋,项铁铭.采用寄生单元的三频手机天线设计[J].杭州电子科技大学学报,2010(5):39-41.

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[5]赵文来,杨俊秀,李霖.一种双频微带贴片天线的设计[J].浙江理工大学学报,2012,29(5):698-701.

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中图分类号TN828.6

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-145-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.037

作者简介:赵欢欢(1990—),女,硕士研究生。研究方向:通信与信息系统。

收稿日期:2015- 08- 04