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)

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:

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

式中元之间的互阻抗。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FR4层和高度6.2mm的空气层，并用50Ω的微带线馈电。

图1 天线的俯视图

天线整体尺寸为60mm×8mm×7mm，近似计算公式如下:

图2 天线的侧面图

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870 968MHz，1 710 2 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4 6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

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。

［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.