一种基于PIFA结构多频段手机天线的设计*

刘　瑾，丁智勇，刘　桥

(贵州大学 大数据与信息工程学院,贵州 贵阳 550000)



一种基于PIFA结构多频段手机天线的设计*

刘瑾，丁智勇，刘桥

(贵州大学 大数据与信息工程学院,贵州 贵阳 550000)

修回日期：2015-05-26Received date:2015-03-01；Revised date：2015-05-26

摘要：设计了一款基于PIFA结构的手机天线，以多支节和增加寄生单元方式实现天线的小型化和多频段要求。采用HFSS13.0高频电磁仿真软件对天线进行仿真优化，最终得到天线的尺寸为33 mm×13 mm×8 mm，同时天线在多个频点处谐振。仿真结果表明，谐振点位置S11≤-10 dB，天线和馈线匹配良好，天线带宽足够同时覆盖GSM850、DCS1800、PCS1900、LTE2300/2500、ISM/Bluetooth、WLAN(2.4GHz)工作频段。对设计天线进行了加工和实测，实测与仿真结果吻合良好,验证了本设计的可靠性。

关键词：多频段；小型化；平面倒F天线；寄生单元

0引言

伴随通信技术的发展，尤其4G通信技术的发展，应用于手机通信的频段逐渐增多。因此，手机不仅要求高质量的兼容性，同时要求工作在多频段上。智能手机的高速发展使得手机功能的多样化被客户所要求，新功能的实现必将加入新的功能器件，这样天线可利用区域将更小。因此，手机天线不仅要工作在多个频段，同时兼具更小的尺寸。

许多学者在内置手机天线多频段和小型化上做了大量研究[1-3]。手机天线设计主要有两种结构：第一种是单极子结构(monopole)；第二种是平面倒F结构(PIFA)。单极子天线具有的特点是全向辐射和非色散特性，并且其结构相对简单，成本相对较低等优势。但是其显著缺点是天线受头和手影响较大，并且需要匹配电路来实现低频带宽扩展。在保证介质高度情况下，PIFA天线能有效解决单极子天线的不足，因此，此类天线得到国内外学者的广泛研究。PIFA天线设计主要有以下两种方法：第一种是曲流技术[4-6]。就是在辐射贴片上开槽实现多个传输路径，各不同的传输路径长度对应各不同谐振频率四分之一波长，以此实现不同的频段；第二种是多频技术[7]。利用单一支节谐振单元，利用二次谐波作为第二个频段，以此实现双频。对于三频及以上的多频实现，主要采用寄生贴片单元来实现高频带宽的扩展[8]。

本文通过开槽和增加寄生贴片来实现多个频段，通过寄生贴片和主天线的耦合来展宽高频频带，以达到4G通信的要求，同时耦合方式的实现将有效减小天线的尺寸。设计的天线同时覆盖了以下频段：GSM850(824-894MHz)、DCS1800(1710-1880MHz)、PCS1900(1850-1990MHz)、LTE1900(1880-1920MHz)/2300(2305-2400MHz)/2500(2570-2620MHz)、ISM/Bluetooth(2400-2480MHz)、WLAN(2400-2483MHz)。通过改变各带线的长度能有效控制相应频段。

1天线结构及设计

图1为本文设计的天线平面结构图和实物。从图1中可以看出天线具有比较简单的结构，将各带线用数字标注为1～3。天线由三部分构成，分别是天线辐射单元、微带线馈电结构和参考地。天线的介质基板体积为40 mm×30 mm×8 mm,折叠后天线体积为33 mm×13 mm×8 mm，介质采用FR4，相对介电常数为4.4。

(a)实物图

(b)平面结构图

由微带线理论可知，对于基本的矩阵贴片，其谐振频率可通过如下公式求出：

(1)

公式(1)中，c是真空中的光速，f是谐振频率，L和W分别是矩形贴片的长和宽。通常矩形贴片宽度相对长度较小，可忽略不计，公式(1)可简化为如下形式：

(2)

由图1(b)可知，通过贴片方式馈电后，电流分为三路：第一路沿带线1流动，第二路沿带线2流动，第三路沿耦合寄生带线3流动。由微带线天线理论可知，PIFA天线谐振长度大约在四分之一谐振波长处。因此，要使天线工作能同时工作于GSM的0.85 GHz、1.8 GHz和1.9 GHz，对应电流流径长度为88.2 mm、39.5 mm和39.45 mm。对于工作在LTE1.9 GHz、2.3 GHz和2.6 GHz时，其对应电流长度分别为39.45 mm、32.6 mm和28.8 mm。当设计的天线带宽足够宽时，中高频频段带宽能同时满足1.8 GHz和1.9 GHz通信，高频频段带宽亦可同时满足2.3 GHz和2.5 GHz频带通信要求。

本文设计的多频段天线是基于超宽带天线来实现不同频段通信需求。辐射贴片单元通过开槽实现两个辐射支节，通过主天线与寄生贴片单元耦合构成第三个辐射支节。如图对应的三条带线分别对应三个不同谐振频段，其中三条带线总长度分别为81.8 mm、32.4 mm和17.3 mm，微带馈电宽度为2.4 mm。带线1主要控制低频0.85 GHz，带线2控制中高频1.8和1.9 GHz，带线3控制超高频2.3和2.6 GHz，通过调节各微带线的长度和宽度可实现各频段的控制。

2仿真结果及分析

通过高频电磁仿真软件HFSS对天线数值模拟，得到天线的回波损耗S11，如图2所示。从图2可以看出，天线三个谐振点对应三个独立的工作频段。带宽以S11≤-6 dB为标准，第一工作频段带宽为0.8 GHz～0.9 GHz，通带的绝对带宽为100 MHz；第二频段带宽为1.7 GHz-1.99 GHz，绝对带宽290 MHz；第三频段带宽为2.31 GHz～2.69 GHz，绝对带宽为380 MHz。以上频段覆盖了GSM850、DCS1800、PCS1900、BT /WiFi、LTE1900、LTE2300和LTE2500等频段。天线馈线阻抗为50Ω，从图2可知，各谐振处S11均小于-10 dB，说明天线阻抗与微带线阻抗匹配良好，完全满足手机通信的需求。

图2　手机天线回波损耗S11

为分析各参数对天线性能的影响，图3到图5分别给出回波损耗受物理参数影响变化图。从图3可得出如下结论：随着L5的增大，第二谐振点逐渐向左移动，当L5=2.5 mm时，S11最小，此时带宽最宽，其它谐振点基本不受L5影响，所以带线2控制第二谐振频率的位置，适当调整带线2的长度和宽度可调节第二通带的带宽和谐振频率。参数合适时，带宽能同时满足1.8 GHz和1.9 GHz通信需求。调节参数L5过程中不影响其它频段，可极大方便调节。

图3　参数L5的不同取值对S11的影响

图4L9对S11的影响

图5　手机天线回波损耗S11

在图4中：随着L9的增大第三个谐振点逐渐左移，通带带宽逐渐减小，谐振点S11也变得更低，最低可达到-30 dB，此时带宽最宽。当去掉带线3时，此时从图5可看出：第一和第二谐振位置基本不变，S11略微增大，第三个频段消失，即带线三直接生成第三通带 。当带线3的参数调节适当时，可使第三通带带宽和和谐振位置达到最优，满足手机超高频通信需求。

以多支节形式实现的多频段天线设计方法中，各支节能控制对应的频段和回波损耗：当支节长度和宽度合适时，可实现不同频段的位置和带宽的控制。任何频段谐振长度约等于工作波长的四分之一，随着支节长度增加，谐振点逐渐向低频移动。

通过HFSS仿真优化后，得到天线最优参数，将天线加工成实物，并且用网络分析仪Agient8722ES测试。实测与仿真结果吻合良好，如图6所示。但中心频率位置和带宽有所改变，这主要是加工误差和SMA街头损耗造成的。

图6　实测与仿真图

从图7可以看出，在低频处，E和H面增益都不是很高，但增益都为正，总体体现出全向性，增益较差主要是边缘效应造成。对于1.8 GHz及以上频段，天线增益较高，E和H面各频点方向性都较好，能满足手机通信的需求。在低频0.85 GHz频段内天线增益从0.1 dB～0.2 dB,1.9 GHz和2.5 GHz频段内增益都在1.5～4 dB内，能满足现代手机通信的要求，同时也达到现代通信功率需求。

(a)850 MHz

(b)1 900 MHz

(c)2.5 GHz

3结论

本文采用多支节结构和寄生贴片相结合的方式设计一款能应用在手机上的多频段天线。天线具有小尺寸，易加工易和集成等特点。对设计的天线仿真优化并做出实物，测试结果和仿真结果吻合良好，因此设计的天线具有广泛市场应用价值。天线谐振点位置可通过改变相应的支节长度来实现独立控制，通过合理参数设计利用相邻谐振点的谐振来实现天线的宽频化，以此满足通信要求。所设计的手机天线可应用于GSM850、DCS1800、PCS1900、LTE2300/2500、ISM /Bluetooth和WLAN。

参考文献：

[1]钟小淸,姚斌,郑勤红.一款多频段小型化单极子天线的设计[J].通信技术,2015,48(2),237-241.

ZHONG Xiao-qing, YAO Bin, ZHENG Qin- Hong. A Compact Multi-Band Planar Monopole Antenna[J] Communications Technology, 2015,48(2),237-241.

[2]彭宇,王丹.无线传感器网络定位技术综述[J].电 子测量与仪器学报,2011,25(5):389-399.

PENG Yu, WANG Dan. A Review: Wireless Sensor Networks Localization[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2011, 25(5):389-399.

[3]China C A, Crosby G V. Advances and Challenges of Wireless Body Area Networks for Health-Care Applications[C]. International Conference on Computing, Networking and Communications(ICNC), 2012:99-103.

[4]Fangst, YE S H, JU K W. Planared-F Inverted Antennas for GSM/DCS Mobile Phone and Dual ISM-Band Applications[J]. Antenna Soc Intsymp, 2002,4:524-527.

[5]Bhatti R A, Yoon H S, Park S O. Design of a Novel Multiband Internal Antenna for Personal Communication Hand-Sets[C]. TENCON, IEEE Region 10 Conference[S.1.]:IEEE,2007.

[6]Kangdg, Sung Y. Compact Hexa-Band PIFA Antenna for Mobilehandset Application[J]. Antenna Wireless Propagation Letters, 2010,9:1127-1130.

[7]高扬,张志军,陈文华等.超小型设备上的双频带天线设计[J].电波科学学报, 2009, 24(5): 944-947.

GAO Yang, ZHANG Zhi-jun, CHEN Wen-hua, et al.Dual-Band Antenna on Miniature Equipment[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(5): 944-947.

[8]CHEN H T, WONG K L,CHOU 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(9): 2468 -2471.

刘瑾(1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向为微波器件；

丁智勇(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为微波器件；

刘桥(1955—)，男，教授，主要研究方向为信号处理。

A Multi-Band Antenna based on PIFA Structure for Mobile Phones

LIU Jin，DING Zhi-yong，LIU qiao

(College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550000,China)

Abstract：A mobile-phone antenna based on PIFA is designed, with way of multiple nodules and increasing parasitic elements to meet its requirements of miniaturization and multiple bands. The antenna is simulated and optimized with electromagnetic simulation software HFSS13.0 (High Frequency Structure Simulator),and the designed antenna is 33mm×13mm×8mm in size and resonates at multiple frequency points. Simulation results indicate that with parameter S11≤-10 dB，the proposed antenna could match well with feeder, and its bardwidth is enough to cover many operation frequency bands, including GSM850, DCS1800, PCS1900, LTE2300, LTE2300, ISM/Bluetooth and WLAN(2.4GHz).The proposed antenna is processed and measured, and the simulated results and measured results are quite idenical.All this eloquently verifies the reliability of this designed antenna.

Key words：multi-band；miniaturization；PIFA；parasitic elements

作者简介：

中图分类号：TN713.5

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2015)07-0871-04

收稿日期：*2015-03-01；

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.024