摘 要：提出了一種新型的應(yīng)用于2.4/5 GHz藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)的雙頻內(nèi)置平面倒F天線。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，可以方便地植入無線通信設(shè)備中，有較強(qiáng)的實(shí)用性。通過加載F形槽和階梯形槽使天線能夠滿足無線局域網(wǎng)中小型化雙頻天線的技術(shù)要求。天線在藍(lán)牙頻段阻抗帶寬達(dá)到300 MHz（2.21~2.51 GHz），在無線局域網(wǎng)頻段阻抗帶寬達(dá)到1 070 MHz(4.95~6.02 GHz)，輻射方向圖表明該天線全向性能較好，增益在3.1~6.7 dBi范圍內(nèi)。

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關(guān)鍵詞：小型化;平面倒F天線;雙頻天線;階梯形結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-034-03

Design of a Novel Dual-frequency PIFA for WLAN Operation

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CHEN Lei，SHEN Wenhui，ZHAO Guohua

(School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai，200072，China)

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Abstract：A novel compact dual-frequency planar inverted-F antenna for 2.4/5 GHz bluetooth and WLAN applications is presented.The antenna owns the feature of compact operation and can be easily integrated into most wireless communication equipments.The F-shaped slot and ladder notches configuration is employed to satisfy the technical requirements of the WLAN antennas.The antenna achieves an impedance bandwidth of 300 MHz (2.21~2.51 GHz) in bluetooth band and 1 070 MHz (4.95~6.02 GHz) in WLAN band.This antenna is characterized by its omni-directional radiation pattern.The gain of the antenna changes from 3.1 dBi to 6.7 dBi.

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Keywords：miniaturization;planar inverted-F antenna;dual-frequency antenna;ladder notches configuration

1 引 言

隨著IEEE 802.11a(5.15~5.35 GHz，5.725~5.825 GHz)和IEEE 802.11b/g(2.4~2.48 GHz)標(biāo)準(zhǔn)的提出，無線局域網(wǎng)(WLAN)通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。與此同時(shí)，對WLAN天線的需求也逐步增多。無論是手機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，個(gè)人電腦的無線網(wǎng)卡還是各種各樣的遠(yuǎn)程感應(yīng)設(shè)備，都需要體積小、重量輕的小型化天線。同時(shí)，為了適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，還要求天線具備良好的全向性能。

平面倒F天線(PIFA) 是一種具有水平和垂直兩種極化特性的天線，具有小型化、結(jié)構(gòu)緊湊便于內(nèi)置、加工制作簡單、成本低，且后向輻射小、比吸收率(SAR)值低等特點(diǎn)^[1]，因而在目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)，尤其是移動(dòng)終端中被廣泛采用。在PIFA天線貼片上加載縫隙結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙頻或多頻功能。縫隙的形狀由傳統(tǒng)的矩形槽演變成特性更好的U形，L形，E形等^[2-3]。在形狀多樣化的同時(shí)，PIFA天線的功能也日益多樣化，其中應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的PIFA天線已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)^[4-7]。文獻(xiàn)［4］提出了一種可以內(nèi)置在軟件狗中的PIFA，應(yīng)用頻段在2.3/5.5 GHz，阻抗帶寬分別為840 MHz和1 010 MHz，但是天線增益相對較小，在低頻部分(1.88~2.75 GHz)為1.3~2.5 dBi，在高頻部分(4.89~5.9 GHz)為3.1~4.5 dBi。

文獻(xiàn)［5］提出了一種通過加載諧振單元來減少雙頻自耦合現(xiàn)象的無線局域網(wǎng)天線，但在5.2 GHz的阻抗帶寬為310 MHz，相對較窄，不能完全覆蓋5.15~5.825 GHz的WLAN頻段。 

本文提出了一種新型的F形槽雙頻平面倒F天線，并通過加載階梯形槽有效增大了天線的阻抗帶寬，在藍(lán)牙頻段阻抗帶寬達(dá)到300 MHz（2.21~2.51 GHz），在無線局域網(wǎng)頻段阻抗帶寬達(dá)到1 070 MHz(4.95~6.02 GHz)，能夠完全覆蓋IEEE 802.11a和IEEE 802.11b/g相對應(yīng)的工作頻段。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，天線高度為7 mm，可以方便地植入無線通信設(shè)備中，有較強(qiáng)的實(shí)用性。天線具有良好的全向性能，滿足無線網(wǎng)卡全向天線的要求。天線的增益在低頻部分(2.21~2.51 GHz)達(dá)到3.1~3.6 dBi，在高頻部分(4.95~6.02 GHz)達(dá)到6.1~6.7 dBi。

2 天線結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，輻射貼片和地板均由厚度為0.2 mm的銅片制成。地板的尺寸為47.5 mm×20 mm，輻射貼片的尺寸為27.5 mm×11 mm×7 mm。輻射貼片與地板之間不存在除空氣以外的其他介質(zhì)，貼片由短路針和同軸饋電結(jié)構(gòu)共同支撐。饋電方式采用50 Ω同軸直接饋電。天線的阻抗匹配可以通過調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)和短路針的位置來實(shí)現(xiàn)。在不減弱天線輻射性能的前提下，為了使天線可以方便地植入系統(tǒng)內(nèi)部，本文采取開一個(gè)“F”型槽來增加天線的電長度，從而滿足天線的小型化要求，增加天線的帶寬。如圖1(a)所示，整個(gè)輻射貼片被短路針分成了兩個(gè)輻射單元：從饋點(diǎn)到短路針部分的電流路徑A和從短路針到貼片開路端部分的電流路徑B。這兩個(gè)輻射單元決定著天線的諧振頻率，可以由以下公式近似計(jì)算^[8]:

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖



f=c4(w+l)



這里，c為真空中光速，l和w為輻射單元的長度和寬度，f0為輻射單元的諧振頻率。通過計(jì)算，我們?nèi)÷窂紸的長度約為12 mm，使其諧振在5.5 GHz頻段；取路徑B的長度約為32 mm，使其諧振在2.4 GHz頻段。

采用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS 10.0對天線進(jìn)行仿真。通過調(diào)節(jié)短路針的位置L1以及輻射貼片開路端的長度L4使天線諧振在2.4/5 GHz藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)頻段。由圖1(a)可知，在固定L4不變的情況下（取L4=16 mm），以ra為基準(zhǔn)線，改變短路針的位置L1會(huì)同時(shí)改變電流路徑A和電流路徑B的長度。當(dāng)減小L1的長度時(shí)（L1=10 mm），路徑B的長度變長，如圖2所示，低頻段向左移動(dòng)。與此同時(shí)，路徑A的長度變短，高頻段向右移動(dòng)。當(dāng)L1變長時(shí)（L1=14 mm），則得到相反的結(jié)果。相似的原理，在固定L1不變的情況下（取L1=12 mm），以rb為基準(zhǔn)線，調(diào)節(jié)L4的長度改變了低頻部分的電流長度，而高頻部分的電流長度保持不變，如圖3所示。綜上可知，路徑B和路徑A分別控制著2.4 GHz和5 GHz頻段。最終仿真優(yōu)化的結(jié)果取L1=12 mm，L4=16 mm。

調(diào)試完兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)：低頻部分的帶寬相對較窄，因此，在控制低頻的輻射單元處加載階梯形槽。由于多節(jié)匹配傳輸線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶匹配，所以這種階梯形結(jié)構(gòu)能夠較容易的實(shí)現(xiàn)天線帶寬的展寬。如圖4所示，在加載了階梯形槽后帶寬有了較明顯的展寬。

圖2 回波損耗隨L1變化曲線圖

圖3 回波損耗隨L4變化曲線圖

圖4 加載階梯形槽前后回波損耗變化曲線圖

3 天線測試

對天線進(jìn)行實(shí)際加工來證明設(shè)計(jì)的有效性。其最終尺寸為：L=47.5 mm，W=20 mm，L1=12 mm，L2=6 mm，L3=5 mm，L4=16 mm，L5=10 mm，L6=3 mm，L7=27.5 mm，W1=2 mm，W2=1 mm，W3=2 mm，W4=1.5 mm，W5=2.5 mm，W6=5 mm，W7=11 mm，W8=6 mm，H=7 mm，R=0.5 mm。

采用安捷倫公司的8722ES網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試得到的兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)分別為：2.4 GHz和5.5 GHz，阻抗帶寬分別為300 MHz（2.21~2.51 GHz）大約為12.50%和1 070 MHz（4.95~6.02 GHz)大約為19.51%。圖5是回波損耗的測試結(jié)果與仿真結(jié)果的比較，可見，二者吻合良好。該天線在兩個(gè)工作頻段上的輻射方向圖分別如圖6和圖7所示，可見天線具有較好的全向性能，能夠滿足無線局域網(wǎng)天線的要求。如圖8所示，所設(shè)計(jì)天線的增益在低頻部分(2.21~2.51 GHz)達(dá)到3.1~3.6 dBi，變化范圍在0.5 dBi以內(nèi)，在高頻部分(4.95~6.02 GHz)達(dá)到6.1~6.7 dBi，變化范圍在0.6 dBi以內(nèi)。

圖5 仿真和實(shí)測回波損耗

圖6 2.4 GHz實(shí)測輻射方向圖

圖7 天線5.5 GHz實(shí)測輻射方向圖

4 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計(jì)測試了一種新型小型化雙頻平面倒[CM(21*2]F天線，該天線設(shè)計(jì)簡潔、靈活，在選定開槽位置后，只需[CM)]

通過調(diào)節(jié)短路針位置L1和開路端長度L4即可方便調(diào)節(jié)兩個(gè)諧振頻率。通過加載階梯形槽使天線具備較大的阻抗帶寬，可完全覆蓋2.4/5 GHz頻段，以滿足無線局域網(wǎng)對雙頻天線的要求。此外，該天線體積小、成本低、饋電方便，有較好的全向輻射特性和較高的增益，適用于目前的無線通信系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8 天線增益圖

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ Liu Z D，Hall P S，Wake D.Dual-frequency Planar Inverted-F Antenna ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Pro[CD*3]pagation，1997，45 (12):1 451-1 458.

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［2］Chiba N，Amano T，Iwasaki H.Dual-frequency Planar Antenna for Handsets ［J］.Electronics Letters，1998，34 (25):2 362-2 363.

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［3］Salonen P，Keskilammi M，Kivikoski M.New Slot Configurations for Dual-band Planar Inverted-F Antenna ［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2001，28(5):293-298.

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［4］Wei Su，Kin Lu W.Internal PIFAs for UMTS/WLAN/WiMAX Multi-network Operation for a USB Dongle ［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2006，48(11):2 249-2 253.

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［5］Ki Jin Kim，K wang Ahn.The High Isolation Dual-band Inverted F Antenna Diversity System with the Small N-section Resonators on the Ground Plane ［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2007，49(3):731-734.

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［6］Chow Yen，Desmond Sim.Dual and Triple-band PIFA.Design for WLAN Applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2007，49(9):2 159-2 162.

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［7］Kin L W，Jun H C.Integrated 2.4~5 GHz WLAN Antennas with Two Isolated Feeds for Dual-module Application ［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2005，47(3):263-265.

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［8］Zi Dong Liu，Hall P S Wake.Dual-frequency Planar Inverted-F Antenna［J］.IEEE Antennas and Propagation，1997，45(10):1 451-1 458.

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作者簡介 陳 雷 男，1982年出生，上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡姴▊鞑ヅc天線技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。