姜 宇，楊 帆，孫岳忠，伍 越

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001)

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，小型多頻天線得到了越來越多的關(guān)注和研究.而手機(jī)天線作為發(fā)射和接收電磁波的重要射頻前端器件，其未來發(fā)展趨勢也必定是小型化、多頻化和內(nèi)置化[1].

微帶天線以其體積小，質(zhì)量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形，能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，簡化了整機(jī)的制作和調(diào)試，大大降低了成本，并便于實現(xiàn)圓極化、雙極化和多頻段等優(yōu)點(diǎn)得到日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用.由于這些特點(diǎn)，微帶天線在無線通信領(lǐng)域中非常具有吸引力.而PIFA是微帶天線演變而來的，因此PIFA以其低輪廓、質(zhì)量輕、多頻段和內(nèi)置天線等特點(diǎn)很容易的應(yīng)用于個人通信設(shè)備中[2－3].實現(xiàn)其多頻段技術(shù)主要采用單層多模、多層重疊貼片和單層加載的方法.其中單層加載技術(shù)中的縫隙加載，也就是通常所說的貼片表面開槽設(shè)計，以其簡單實用、易于加工、有效降低天線尺寸的優(yōu)勢引起了普遍關(guān)注[4－6].但是，PIFA的窄頻帶是其在無線通信應(yīng)用中的一個限制.利用在接地板上開槽的技術(shù)，即缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS－detected ground structure)，可以實現(xiàn)天線的寬頻帶要求[7].DGS結(jié)構(gòu)也是通過在電路的接地板上蝕刻出缺陷圖案，以改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變微帶線的有效電感和有效電容，使得由DGS結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微帶線具有慢波特性和帶阻特性[8－9].因此，DGS結(jié)構(gòu)可以用來抑制天線高次諧波、提高天線增益和帶寬、改善效率、提高Q值等.同時可以用電路模型來解釋PIFA輻射貼片和有限接地板之間的相互影響的關(guān)系，而接地板的尺寸和形狀在實現(xiàn)終端天線寬頻帶過程中起著重要作用，在接地板開槽能夠優(yōu)化天線的寬頻帶[10].

本文基于對小型化、多頻化天線的分析研究提出一種新型缺陷地結(jié)構(gòu)的平面倒F型三頻微帶天線.該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在輻射貼片上利用開槽技術(shù)實現(xiàn)雙頻操作，同時在接地板上通過缺陷地結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了諧振、展寬頻帶和結(jié)構(gòu)的小型化.通過仿真設(shè)計，實現(xiàn)了可在GSM(880～960 MHz)/DCS(1710～1880 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)3個頻段工作的三頻天線，并且在各個頻段的頻帶寬度也比較理想.

1 天線結(jié)構(gòu)及分析

1.1 開槽設(shè)計分析

常用的微帶天線是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為基地板，另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針針對貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶天線.而在手機(jī)中應(yīng)用的天線即為變形的微帶貼片天線，其輻射在微帶天線導(dǎo)體邊沿與接地板之間的邊緣產(chǎn)生的.以微帶貼片天線為例，它由介質(zhì)基片、導(dǎo)電貼片與接地板構(gòu)成.假設(shè)電場在沿微帶貼片的寬度與厚度方向沒有變化的情況下，則電場在輻射貼片上僅與輻射貼片長度方向變化有關(guān)，整個貼片可以等效為相距一定長度(貼片長度)、同相激勵并向地板以上半空間輻射的2個縫隙.同理，按照相同的分析方法將電場隨著貼片寬度的變化也考慮進(jìn)去，則微帶貼片天線就可以用貼片周圍的4個縫隙來表示[11－12].

一般意義上的PIFA是在微帶天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，將其輻射貼片的一端利用饋電和短路壁與接地板相連的方式進(jìn)行短路，另一端開路(即懸空)，中間采用空氣作為介質(zhì)，不加其他任何處理，只要設(shè)計好天線的尺寸以及饋電點(diǎn)，就能夠?qū)崿F(xiàn)2個或者更多的諧振頻率.

由PIFA的諧振頻率簡化公式入手:

其中:L1、L2分別為天線輻射貼片的長度和寬度.因為天線本身就是一個一端開路并且可以向外界輻射電磁波的諧振體，其最本質(zhì)的特性即為諧振頻率，而其諧振頻率主要就是由輻射體本身的長度、寬度這些結(jié)構(gòu)參數(shù)來決定的，其他的結(jié)構(gòu)(如短路壁、開槽等)都可以針對諧振頻率在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，同時輻射貼片的寬度L2還在一定程度上影響微帶天線的頻帶寬度和輻射效率.在尺寸允許的條件下輻射貼片寬度L2取得適當(dāng)大些對頻帶、效率和阻抗匹配都有利.

通常，天線的頻帶以輸入端電壓駐波系數(shù)VSWR值小于某個給定值的頻率范圍BW來表示.若VSWR給定值為s，則VSWR＜s時的帶寬計算公式如下.

其中:Q是天線的總Q值.可以利用增大高度h來增加傳輸線特性阻抗，進(jìn)而展寬頻帶.當(dāng)高度h＜λ/16時，VSWR≤2的頻帶寬度的經(jīng)驗公式可近似為BW=5.04f2h.由此式可知，當(dāng)諧振頻率f確定后，可調(diào)節(jié)天線高度能夠影響天線帶寬.

上述的因素是相互制約的，若為了展寬頻帶和提高效率而增大輻射貼片的高度h，將會增加整個天線的質(zhì)量，而且會破壞天線的低剖面特性，這對于空間小、精度高的手機(jī)天線是不可取的，因此需要綜合考慮這些相互制約因素，以達(dá)到最佳的效果.

PIFA“開槽”技術(shù)是在其輻射貼片上進(jìn)行“開槽”，其貼片結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，則表面的自然模就會被改變，表面的電流分布也隨之發(fā)生了改變，這樣，就可能會對原來的諧振產(chǎn)生較大的影響(包括其諧振頻率和帶寬)，而且還會產(chǎn)生新的附加頻率，即所謂的“多頻”諧振，此時的手機(jī)天線就是貼片天線和縫隙天線的組合[13].貼片天線容易設(shè)計加工，可以雙頻工作;縫隙天線可以產(chǎn)生單向或者雙向方向圖，并且對制造公差的敏感性比貼片天線小.限于手機(jī)對天線體積、質(zhì)量和制造工藝的要求，在貼片上開槽，通過人工額外加載縫隙的辦法，較小限度地改變天線結(jié)構(gòu)，而較大限度地改變貼片表面的電流分布，從而實現(xiàn)增加頻段、擴(kuò)展頻帶的目的.只要仔細(xì)調(diào)整開槽的位置，槽的尺寸以及開槽縫隙的寬度，同時在合適的位置加載短路壁和饋電點(diǎn)，就有可能使高次模的諧振頻率降低到需要的頻段，同時又不影響低次模在低頻段上的應(yīng)用.因此，近年來在多頻天線設(shè)計中，經(jīng)常采取這種方法[14].

DGS通過在電路的接地板上蝕刻缺陷的圖案形成的，在接地板上蝕刻缺陷的圖形會擾亂接地板上傳到電流的分布，改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變基于該介質(zhì)上共面波導(dǎo)的分布電感和分布電容，進(jìn)而使得此類共面波導(dǎo)具有帶隙特性和慢波特性.由于DGS僅由一個缺陷單元構(gòu)成，因此它的帶隙中心頻率僅由該缺陷單元結(jié)構(gòu)決定[15].DGS結(jié)構(gòu)簡單，無需引入電磁場的數(shù)值計算;同時通過采用簡單的LC等效電路建?？蓪崿F(xiàn)電路級的快速分析.在同等工藝條件和性能要求上，對考慮電路尺寸而帶來經(jīng)濟(jì)成本變動較敏感的手機(jī)集成電路而已，DGS結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的競爭力[16－18].

1.2 天線結(jié)構(gòu)分析

本文所設(shè)計天線結(jié)構(gòu)包括一個上層的主輻射貼片(圖1)，下層的接地板(圖2)、同軸饋電線和一個短路壁.如圖1所示，同軸饋線距主輻射貼片的長邊和短邊分別為3 mm和6.5 mm，短路壁長度為3mm;接地板大小為100mm×40mm，天線的輻射貼片安裝在該地板的上部，外輪廓尺寸44 mm×25 mm.圖3給出了天線整體的側(cè)視圖，從圖3中可以看到天線和地板之間相距4 mm，天線L型開槽輻射貼片和DGS均蝕刻在0.4 mm的FR－4介質(zhì)上.輻射貼片上用L型槽可以實現(xiàn)雙頻功能，并通過短路壁與接地板相連;接地板上加載DGS，增加天線的諧振頻率，使天線的整體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三頻功能;天線采取同軸饋電，內(nèi)導(dǎo)體接在主輻射貼片即天線上，外導(dǎo)體與接地板背面的傳輸線相接，通過與饋電點(diǎn)的匹配調(diào)節(jié)，即優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)與同軸線50Ω的阻抗匹配，降低回波損耗，在圖4中，可以看到其反射系數(shù)(S11)小于－5 dB(此時天線可以正常工作)，同時將普通的接地板和開槽的接地板在他們的諧振頻率和帶寬上進(jìn)行了比較，可以看出接地板的DGS對高頻帶寬具有很大的影響，實現(xiàn)了展寬天線頻帶的目的，達(dá)到了一定的帶寬要求.

為了使其結(jié)構(gòu)尺寸減小，天線的輻射單元利用開槽技術(shù)蝕刻出縫隙，并在輻射單元進(jìn)行L型開槽以及在接地板上蝕刻出DGS，同時通過仿真計算不斷的優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸，調(diào)整其各個頻帶的寬帶以及反射系數(shù)等其他參數(shù)，最終實現(xiàn)了在GSM端f1帶寬84 MHz大約為9.14%，在DCS端f2帶寬197 MHz大約為10.94%，在UMTS端f3帶寬319 MHz大約為15.49%.天線的具體尺寸在其結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)出，如圖1～3所示(單位:mm).

2 實驗結(jié)果分析

2.1 加載DGS和未加載DGS時對S11參數(shù)的影響

本文基于接地板的DGS及主輻射貼片的L槽分析設(shè)計了一種的平面倒F型天線，并通過仿真計算實現(xiàn)了其三頻的功能.圖4為加載和未加載DGS時的天線反射系數(shù)特性曲線，由圖4可見，天線在加載DGS后不僅擴(kuò)寬了頻帶，并且實現(xiàn)了三頻的目的.該天線實現(xiàn)了877～961 MHz，1 703～2 219 MHz，頻帶內(nèi)S11＜－5 dB(此時天線能夠正常工作)，因此天線頻帶完全覆蓋GSM/DCS/UMTS的工作頻段.

圖4 加載DGS和未加載DGS時的S11對比

2.2 DGS長度對S11參數(shù)的影響分析

通過仿真，發(fā)現(xiàn)DGS的長度對于兩個高頻諧振的影響非常敏感，取DGS長度分別為24.3、23.3、22.3 mm，通過仿真可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)DGS長度減小時兩個諧振頻率都開始向更高頻段移動，其相應(yīng)的S11值變大，頻帶變窄，如圖5所示，通過優(yōu)化，最終取DGS的長度為24.3 mm，寬度為8 mm，此時獲得兩個高頻是我們所需要的.

圖5 DGS不同長度時仿真S11

2.3 槽短邊寬度對S11參數(shù)的影響分析

在天線輻射貼片結(jié)構(gòu)中一個非常重要的參數(shù)就是L槽短邊寬度，即相應(yīng)的圖6中的參數(shù)L1的長度.當(dāng)調(diào)節(jié)L1的長度時 ，可以明顯地改變高頻的頻率值和其相應(yīng)的反射系數(shù).從圖6可以清楚地反映出，高諧振頻率都隨著L1增大(即相應(yīng)L槽短邊寬度減小)而不斷減小，這就為確定該諧振頻率提供了方向，基于這種思路進(jìn)行了相關(guān)的天線仿真，并通過對L槽的其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化其相應(yīng)的帶寬，最終確定取L1為8 mm，實現(xiàn)了GSM900 MHz/DCS1 800 MHz雙頻工作.

圖6 L1處不同長度時的S11仿真

2.4 輻射方向圖分析

圖7、8 是按照前述的各項優(yōu)化參數(shù)，給出的該天線在3個諧振點(diǎn)處的E面和H面的輻射方向圖.從圖7、8中可以清楚地看出，天線在900、1 800、2 140 MHz 3個頻段方向圖的全向性也很好.

由于PIFA屬于小型天線，設(shè)計上的微小誤差對小天線性能都有很大影響，而且各個參數(shù)互相制約，因此有必要對上述的幾個主要參數(shù)進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，綜合比較，才能優(yōu)化出合適的天線尺寸，得到理想的性能指標(biāo).

3 結(jié)語

本文提出了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的新型平面倒F型天線.該天線由于設(shè)計了接地板上的缺陷地結(jié)構(gòu)，從而拓寬了其頻帶寬度，使天線在880～960 MHz/1 710～2 170 MHz頻率范圍內(nèi)的S11達(dá)到了 －5 dB以下，滿足移動終端在GSM900 MHz/DCS1 800 MHz/UMTS2 000 MHz三個頻段的使用要求.通過仿真計算分析，討論了主要參數(shù)的變化對于諧振頻率及頻帶寬度的影響，同時對天線的反射系數(shù)和輻射方向圖進(jìn)行了說明，為后續(xù)包含其他頻帶的多頻以及寬頻天線的研究打下了基礎(chǔ).

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