一種新型三頻PIFA天線設計

趙歡歡,姚愛琴,孫運強,楊建旭

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原　030051)

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一種新型三頻PIFA天線設計

趙歡歡,姚愛琴,孫運強,楊建旭

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原030051)

摘要針對天線的多頻問題,提出一種新型的三頻段平面倒F天線(PIFA天線),該結構采用在輻射貼片上開U形槽和∏形槽來實現(xiàn)。通過HFSS13.0對天線模型進行仿真分析,使得天線最終工作于GSM(890～960 MHz)、DCS(1 710～1 880 MHz)和ISM2 400 MHz(2 400～2 484 MHz)3個頻段。仿真結果表明,3個頻段的相對帶寬分別為10%、6%和11%,能滿足通信要求。此外,天線整體輻射性能良好,且結構簡單。

關鍵詞PIFA天線;開槽;無線通信

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

隨著現(xiàn)代無線通信的急速發(fā)展,無線設備終端越來越向小型化、多功能化等方向發(fā)展,以及提高對于系統(tǒng)集成度的要求,小型雙頻甚至多頻微帶天線也逐漸成為熱點。微帶天線實現(xiàn)雙多頻工作的方法有多種,根據(jù)不同的尺寸及性能要求,實現(xiàn)工作的方法也不盡相同。一般,實現(xiàn)雙多頻工作的方式有[1]:加載集總元件[2-4]、多層貼片[5]、多模正交[6]和縫隙加載等。對于PIFA天線實現(xiàn)多頻段工作,通常使用雙饋點或者在PIFA天線輻射金屬片上采用開槽的技術來設計。但使用雙饋點時,調(diào)諧頻率和調(diào)諧范圍受到一定限制,所以,在PIFA天線的實際設計中,多采用開槽的方式來實現(xiàn)多頻工作。文獻[7]采用彎折開槽縫隙加載結構的微帶天線實現(xiàn) DCS和 WLAN 的雙頻工作特性。文獻[8~9]是采用樹狀分形方法設計性能良好的雙頻天線。

1天線結構設計與理論分析

1.1結構設計

天線結構如圖1所示,包括接地平面、輻射單元、短路金屬片和同軸線。其中,接地平面作為反射面,輻射單元是與其平行的金屬片,短路金屬片用于連接輻射金屬片和接地平面,同軸線用于信號傳輸。選擇的介質(zhì)為Rohacell射頻泡沫,其相對介電常數(shù)εr=1.06,損耗正切tanδ=0.005。

圖1　天線立體圖

對于矩形輻射貼片來說,輻射貼片尺寸與諧振頻率的關系如下

(1)

輻射單元長度

(2)

有效介電常數(shù)

(3)

對于輻射貼片上的開槽,諧振頻率可通過式(4)估算得到

(4)

其中,c為光速,H為輻射貼片厚度,L1、W1為輻射貼片的長度與寬度,L1、L2、W2、W3分別為所開槽的長度與寬度。

圖2　天線俯視圖

1.2理論分析

在輻射貼片上開U形槽后,U形槽可圍成一個矩形單元,改變了天線表面電流的路徑,使得電流路徑的有效長度增加,相當于一個新的輻射單元,可在一定的頻率產(chǎn)生諧振,得到f2。矩形輻射貼片產(chǎn)生較低的諧振頻率f1,從而得到雙頻。在U形槽內(nèi)接著開一個形槽,電流路徑再次被切斷,電流將繞過縫隙流動,相應地產(chǎn)生一個更高的諧振頻率f3。至此,PIFA天線的3個諧振頻率均已得到。

2仿真結果分析

圖3是通過HFSS13.0仿真分析的天線S11結果圖,從圖中可看出,在其他參數(shù)不變的情況下,改變矩形輻射貼片L1的尺寸,回波損耗S11的變化情況。當L1增加時,天線的低頻諧振點逐漸變大,而其他諧振點基本不變。這說明矩形貼片的長度對低頻諧振點有較大影響,而對其他頻諧振點基本不影響,但會影響整個天線的性能。即選擇合適的L1等參數(shù)的值,可有效改變天線特性,使天線具有更好的多頻特性。文中主要分析了參數(shù)L1,L2,L3對天線性能的影響,選取最適合的參數(shù)值,使得天線設計更簡便。

圖3　L1、L2和L3對回波損耗S11的影響情況

圖4為選擇合適的參數(shù)L1=53 mm、L2=27 mm、L3=19 mm時得到的最優(yōu)參數(shù)之后的仿真結果。從圖中可看出,天線滿足GSM(890～960 MHz)、DCS(1 710～1 880 MHz)、ISM2 400 MHz(2 400～2 484 MHz)。

圖4　選擇最優(yōu)參數(shù)時的S11

mm

天線在3個諧振頻點處的增益方向圖,如圖5~圖7所示。其中圖5是中心頻率為900 MHz的GSM頻段方向圖,其增益最高可達2.11 dB,天線在E面方向性良好,前后比滿足要求,在H面上,幾乎為全向;圖6為中心頻率為1 760 MHz的DCS頻段方向圖,其增益為0.82 dB;圖7為中心頻率為2 470 MHz的ISM頻段方向圖,增益最高可達5.60 dB,還可看出天線方向性良好,后瓣較小。

圖5　f=0.9 GHz時,天線在xz和yz截面上的增益方向圖

圖6　f=1.75 GHz時,天線在xz和yz截面上的增益方向圖

圖7　f=1.75 GHz時,天線在xz和yz截面上的增益方向圖

3結束語

提出了一種新穎的三頻微帶貼片天線,在保證天線尺寸的情況下,通過改變輻射貼片的尺寸,在貼片上同時開U形和形槽使之諧振頻率發(fā)生改變,同時采用50 同軸線饋電,集總端口的激勵方式實現(xiàn)。通過HFSS13.0仿真優(yōu)化,可看出不同尺寸對天線諧振頻率的影響,分析得到天線最佳尺寸和形狀,從而得出天線可同時工作于GSM(890～960 MHz)、DCS(1 710～1 880 MHz)、ISM2 400 MHz(2 400～2 484 MHz)3個頻段,最高增益約為7.6 dB。關鍵指標基本滿足微帶天線的設計要求,且天線結構簡單,具有良好的使用價值。

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中圖分類號TN828.6

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-145-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.037

作者簡介:趙歡歡(1990—),女,碩士研究生。研究方向:通信與信息系統(tǒng)。

收稿日期:2015- 08- 04