采用寄生单元的三频手机天线设计.pdf

第 33 卷第 5 期杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报Vol 33 No 5 2013 年 10 月 JournalofHangzhouDianziUniversityOct 2013 doi 10 3969 j issn 1001 9146 2013 05 011 采用寄生单元的三频手机天线设计 马晓洋 项铁铭 杭州电子科技大学天线与微波技术研究所 浙江 杭州 310018 收稿日期 2013 07 20 作者简介 马晓洋 1987 男 河南宝丰人 在读研究生 天线与微波电路 摘要 该文设计了一种低剖面 结构紧凑的平面倒 F 型三频手机天线 通过采用附加寄生单元增加天线 的带宽 使天线完全覆盖 GSM900 DCS1 800 和 PCS1 900 频段 且增益大于0dB 满足无线通信系统对频 段和带宽的要求 与传统的 PIFA 天线相比有更宽的带宽 在宽带通信系统中有较好的应用前景 关键词 平面倒 F 型天线 寄生单元 三频手机天线 中图分类号 TN82文献标识码 A 文章编号 1001 9146 2013 05 0039 03 0引言 近年来 便携式无线终端设备以惊人的速度不断发展 在给人们生活带来便利的同时 也给天线设计 带来了诸多的挑战 低剖面 紧凑型 多频带天线逐渐成为未来移动终端天线的发展趋势 1 平面倒 F 型 天线 Planar Inverted F Antenna PIFA 结构简单紧凑 并且背向辐射小 因此多用作移动终端天线 但 PIFA 天线窄的频带特性也给天线设计者带来诸多困扰 2 添加匹配电路可以通过调整阻抗匹配来拓展 PIFA 天线的带宽 但手机天线效率本来就不高的情况下 添加匹配电路又带了额外的损耗 3 本文设计 了一种采用附加寄生单元的 PIFA 天线 通过寄生单元与主贴片之间的耦合 增强了天线的辐射特性 调 整寄生单元的长度 宽带和距离 天线可完全覆盖 GSM900 DCS1 800 和 PCS1 900 频段 且增益大于0dB 1分析与设计 1 1含有寄生单元的 PIFA 天线的辐射原理 含有寄生单元的 PIFA 型天线可以分为馈电激励单元和耦合寄生单元两部分 受激单元被馈电后 向空间辐射电磁波 使寄生单元中产生感应电流从而产生辐射 寄生单元相对于受激单元的电流幅度及 相位关系依赖于该寄生单元的调谐 假设单元 1 为寄生单元 单元 2 为受激单元 则单元间的电路关系如下 0 I1Z11 I2Z12 1 V2 I1Z21 I2Z22 2 由式 1 2 得 I1 I2 me j Z12 Z11 3 式中 m 2 12 X 2 12 2 11 X 2 1 槡 1 arctan X12 12 arctan X11 11 Z12 12 jX12为受激单元和寄生单元间的互 阻抗 Z11 11 jX11为寄生单元的自阻抗 由式 3 可以看出 寄生单元上感应电流的幅度和相位取决于寄生单元本身的自阻抗和它与受激单 元之间的互阻抗 所以调节寄生单元的尺寸及与受激单元之间的距离可以改变互阻抗 从而改变天线 的输入阻抗 达到扩展天线带宽的目的 4 1 2天线的设计 天线的俯视图和侧面图如图 1 2 所示 图 1 右侧贴片为传统的 G 形双频 PIFA 天线即馈电激励单 元 左侧为 L 形附加寄生贴片即耦合寄生单元 图 2 中 天线采用双层介质结构分别为高度 0 8mm 的 F 4 层和高度 6 2mm 的空气层 并用 50 的微带线馈电 图 1天线的俯视图 图 2天线的侧面图 天线整体尺寸为 60mm 8mm 7mm 近似计算公式如下 f0 c 4 W L 4 式中 W 为天线宽度 L 为天线长度 对于低频段 L l1 l2 l4 对于高频段 L l3 2仿真结果的分析与讨论 经过电磁仿真软件 HFSS 的仿真优化 天线的尺寸为 l1 8mm l2 39mm l3 19mm l4 30mm l5 19mm d 1 25mm w 2mm 有无附加寄生单元的天线回波损耗如图 3 所示 实线为无附加寄生单元 的 PIFA 天线的回波损耗曲线 虚线为添加附加寄生单元的 PIFA 天线的回波损耗曲线 通过添加附加 寄生贴片 天线的低频段带宽变化不大 高频段带宽显著提高 并且高频段包含两个谐振点 左边谐振 点为主天线产生的谐振 右边谐振点为寄生单元产生的谐振 通过主单元和寄生单元辐射叠加达到拓展 天线带宽的目的 天线的回波损耗小于 6dB 的频带分别为870968MHz 1 7102 030MHz 完全覆盖 了 GSM900 DCS1 800 和 PCS1 900 频带 满足三频段手机天线的带宽要求 天线在 900MHz 1 800MHz 和 1 900MHz 的辐射方向图 分别如图 46 所示 天线在 900MHz 增益 达到 1 25dB 在 1 800MHz 和 1 900MHz 增益分别为 2 0dB 和 2 1dB 且具有较好的方向性 图 3有无附加寄生单元的天线回波损耗 图 4频率为 900MHz 的方向图 04杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报2013 年 图 5频率为 1 800MHz 的方向图 图 6频率为 1 900MHz 的方向图 3结束语 本文设计了一种采用 L 型附加寄生单元的三频 PIFA 天线 通过调整寄生单元的长度 宽度以及 与主贴片的距离 改善了附加寄生单元与 G 型主贴片的耦合特性 增强了天线的高频段带宽 通过仿 真比较 天线完全覆盖了 GSM900 DCS1 800 和 PCS1 900 频带 在宽频带无线通信系统中有较好的应用 前景 参考文献 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 adiation 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 姜铁华 苏东林 丁轲佳 等 含有寄生单元的倒 F 天线分析与设计 J 微波学报 2008 24 1 35 39 Design of Antenna with Parasitic Element for Mobile Phone MA Xiao yang XIANG Tie ming Institute of Antenna and Microwave Hangzhou Dianzi University Hangzhou Zhejiang 310018 China Abstract In this paper a low profile and compact PIFA antenna is presented The antenna can produce wi der frequency bandwidth by using an additional parasitic element The antenna is fully covered GSM900 DCS1 800 and PCS1 900 bands The gain of antenna is greater than 0dB which meets the requirements of bandwidth in wireless communication systems Compared with the conventional PIFA antenna the antenna has a wider