采用寄生單元的三頻手機(jī)天線設(shè)計(jì)

馬曉洋，項(xiàng)鐵銘

(杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江杭州310018)

0 引言

近年來(lái)，便攜式無(wú)線終端設(shè)備以驚人的速度不斷發(fā)展。在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給天線設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多的挑戰(zhàn)。低剖面、緊湊型、多頻帶天線逐漸成為未來(lái)移動(dòng)終端天線的發(fā)展趨勢(shì)［1］。平面倒F型天線(Planar Inverted—F Antenna，PIFA)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，并且背向輻射小，因此多用作移動(dòng)終端天線。但PIFA天線窄的頻帶特性也給天線設(shè)計(jì)者帶來(lái)諸多困擾［2］。添加匹配電路可以通過(guò)調(diào)整阻抗匹配來(lái)拓展PIFA天線的帶寬，但手機(jī)天線效率本來(lái)就不高的情況下，添加匹配電路又帶了額外的損耗［3］。本文設(shè)計(jì)了一種采用附加寄生單元的PIFA天線，通過(guò)寄生單元與主貼片之間的耦合，增強(qiáng)了天線的輻射特性。調(diào)整寄生單元的長(zhǎng)度、寬帶和距離，天線可完全覆蓋GSM900、DCS1 800和PCS1 900頻段，且增益大于0dB。

1 分析與設(shè)計(jì)

1.1 含有寄生單元的PIFA天線的輻射原理

含有寄生單元的PIFA型天線可以分為饋電激勵(lì)單元和耦合寄生單元兩部分。受激單元被饋電后向空間輻射電磁波，使寄生單元中產(chǎn)生感應(yīng)電流從而產(chǎn)生輻射，寄生單元相對(duì)于受激單元的電流幅度及相位關(guān)系依賴于該寄生單元的調(diào)諧。

假設(shè)單元1為寄生單元，單元2為受激單元，則單元間的電路關(guān)系如下:

由式3可以看出，寄生單元上感應(yīng)電流的幅度和相位取決于寄生單元本身的自阻抗和它與受激單

式中元之間的互阻抗。所以調(diào)節(jié)寄生單元的尺寸及與受激單元之間的距離可以改變互阻抗，從而改變天線的輸入阻抗，達(dá)到擴(kuò)展天線帶寬的目的［4］。

1.2 天線的設(shè)計(jì)

天線的俯視圖和側(cè)面圖如圖1、2所示。圖1右側(cè)貼片為傳統(tǒng)的G形雙頻PIFA天線即饋電激勵(lì)單元，左側(cè)為L(zhǎng)形附加寄生貼片即耦合寄生單元。圖2中，天線采用雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)分別為高度0.8mm的FR4層和高度6.2mm的空氣層，并用50Ω的微帶線饋電。

圖1 天線的俯視圖

天線整體尺寸為60mm×8mm×7mm，近似計(jì)算公式如下:

圖2 天線的側(cè)面圖

式中，W為天線寬度，L為天線長(zhǎng)度，對(duì)于低頻段L=l1+l2+l4，對(duì)于高頻段L=l3。

2 仿真結(jié)果的分析與討論

經(jīng)過(guò)電磁仿真軟件HFSS的仿真優(yōu)化，天線的尺寸為l1=8mm，l2=39mm，l3=19mm，l4=30mm，l5=19mm，d=1.25mm，w=2mm。有無(wú)附加寄生單元的天線回波損耗如圖3所示，實(shí)線為無(wú)附加寄生單元的PIFA天線的回波損耗曲線，虛線為添加附加寄生單元的PIFA天線的回波損耗曲線。通過(guò)添加附加寄生貼片，天線的低頻段帶寬變化不大，高頻段帶寬顯著提高。并且高頻段包含兩個(gè)諧振點(diǎn)，左邊諧振點(diǎn)為主天線產(chǎn)生的諧振，右邊諧振點(diǎn)為寄生單元產(chǎn)生的諧振，通過(guò)主單元和寄生單元輻射疊加達(dá)到拓展天線帶寬的目的。天線的回波損耗小于－6dB的頻帶分別為870 968MHz，1 710 2 030MHz，完全覆蓋了GSM900，DCS1 800和PCS1 900頻帶，滿足三頻段手機(jī)天線的帶寬要求。

天線在900MHz，1 800MHz和1 900MHz的輻射方向圖，分別如圖4 6所示，天線在900MHz增益達(dá)到1.25dB，在1 800MHz和1 900MHz增益分別為2.0dB和2.1dB，且具有較好的方向性。

圖3 有無(wú)附加寄生單元的天線回波損耗

圖4 頻率為900MHz的方向圖

圖5 頻率為1 800MHz的方向圖

圖6 頻率為1 900MHz的方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用L型附加寄生單元的三頻PIFA天線。通過(guò)調(diào)整寄生單元的長(zhǎng)度、寬度以及與主貼片的距離，改善了附加寄生單元與G型主貼片的耦合特性，增強(qiáng)了天線的高頻段帶寬。通過(guò)仿真比較，天線完全覆蓋了GSM900、DCS1 800和PCS1 900頻帶，在寬頻帶無(wú)線通信系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

［1］Liu W C，Ghavami，Chung W C.Triple-frequency meandered monopole antenna with shorted parasitic strips for wireless application［J］.Institution of Engineering and Technology Microwave Antennas Propagation，2009，3(7):1 110 －1 117.

［2］Lee Jeong-ho，Yook Jong-gwan.Improvement of Radiation Performance of Mobile Phone Antenna Using Parasitic Element［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56(4):2 411 －2 415.

［3］Zhang Zhijun.Antenna design for mobile devices［M］.Singapore:John Wiley＆ Sons(Asia)Pte Ltd，2011:20－57.

［4］姜鐵華，蘇東林，丁軻佳，等.含有寄生單元的倒F天線分析與設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2008，24(1):35－39.