智能手机PIFA多频段天线设计

王康佳，谢良辉

（1.惠州经济职业技术学院机电工程系，广东 惠州516057；2.电子科技大学物理电子学院，四川 成都610054）

0 引 言

现今通信技术高速发展，无线移动终端产品给人们带来便利的同时也丰富了人们的生活。随着手机技术的不断发展，目前智能手机充斥各大市场。而且手机也被赋予越来越多的功能，与之相应的是需要处理多种不同的频段，需要更大的带宽来满足更高的数据传输速率。现阶段商业常用的频段包括GSM 850（824～894MHz）、GSM 900 （880～960MHz）、GPS （1 575MHz）、DCS （1 710～1 880MHz）、PCS（1 850～1 990MHz）、3G （1 920～2 175MHz），Bluetooth或 WLAN 802.11b／g （2 400～2 484MHz）频段，现在已经可以把所有这些频段的功能都集成在同一部手机中。

1 PIFA天线简介

多年来，大多数手机天线都一直在沿用一种传统的平面倒F型天线 （planar inverted－F antenna，PIFA）设计方案。目前市面上可以看到的手机内置天线，有60%～80%都是采用这种天线设计。这种天线的设计是基于电小天线技术，因为只有通过电小天线技术，设计者才能实现在天线内置时尚手机的同时，还能保证足够的增益和带宽。为了使天线变小，一类非常重要的技术途径就是利用慢波结构。慢波结构的两种典型设计方法：一是增加天线上电流的路径；二是利用匹配网络来改变馈电点的相位［1］（图1）。

图1 PIFA天线示意图

2 手机PIFA天线设计

在手机天线调试时，主要考查的参数是天线的电压驻波比 （VSWR）、回波损耗S11、及频带宽度。在此先通过仿真软件HFSS进行PIFA天线的仿真，通过改变天线的宽度等参数来分析天线性能，最后再实调一个手机PIFA天线。

实际的手机天线调试中，受环境影响太大，所以设计时天线应该离带磁性的器件如马达、扬声器、咪头及显示屏等3～5mm的距离为好。下面就结合上述方法实际调试一个可应用于智能手机覆盖GSM800、GSM900、DCS、PCS及3GWCDMA （1920～2175MHz）几个频段的PIFA天线，再结合HFSS仿真软件进行仿真，看看实际与仿真的区别。［2］

图2 覆盖全频段的PIFA天线 （实物）

图3 HFSS对图2中PIFA天线进行建模

图2是手工制作的天线，将其在HFSS中建模仿真，建模如图3所示。图4是通过矢量网络分析仪调试测得的可覆盖全频段的PIFA天线的电压驻波比VSWR［3］。由图可知，GSM850和GSM900相对为低频，其余为高频，低频中880MHz频点在2以下，接近1，即天线反射回发射机的能量很少，达到接近匹配的状态［4］。在高频段，所有频点都在2左右变化，也达到天线调试的一般标准。在HFSS中仿真得到的VSWR测试结果如图5所示，可以看到效果不如实际的好。究其原因，可能是仿真中尺寸没有完全与实际的天线相符，理论上说仿真时环境过于理想其效果会好于实际［5］。

图4 用矢量网络分析仪测得实物天线的VSWR

图5 在HFSS中仿真得到的VSWR

下一步去暗室测试这个天线的效率和增益 （属无源测试），得到如图8所示的数据。通过图6可以看到，只有960MHz频点的效率在36点多，其它的都在相对较高的位置，效率较高。按手机天线的一般标准，在低频段效率达到36，已算达标了。图6中还得到了天线的增益，与图7及图8仿真得到的E面和H面的增益方向图相比，也有一定差异。

图6 通过微波暗室测得的天线效率与增益

图7 仿真得到的E面方向图

由上面的操作可以得出，做小天线如手机天线一般是直接用刻刀划出天线形状，然后对着网络分析仪调试上述的原因：当在软件上仿真时，由于环境太理想，建模所花时间较刻出一个天线时间长，而且小天线所处的环境如手机天线一般都很复杂，需要实际调试才可以得到想要的天线。

3 结 语

图8 仿真得到的H面方向图

本文首先简单介绍了当下智能手机广泛采用的PIFA天线，对其结构和分析方法作了简要介绍；然后介绍了PIFA天线设计方法，介绍了降低电压驻波比 （VSWR）的方法及展宽阻抗带宽的方法；最后通过实际制作并调试，测试了一个可覆盖全频段的PIFA天线，对其进行仿真，发现仿真结果与实际的天线性能有一定差异。

如今电小天线广泛应用于各类移动通信终端，但其辐射机理还不成熟，所以有必要对其一些重要参数进行改进研究。在调试时一般关注的是其VSWR及阻抗带宽，目的是使发射机与天线更好地匹配，但匹配好了不一定辐射功率和发射功率就好，所以还需要到暗室中测试相关参数，如TRP、TIS、增益、天线效率等，所有这些数据达标才算是一个合格的天线。

［1］杨振超.新型手机天线的研究及设计［D］.成都：电子科技大学，2010.

［2］刘义.移动通信中小型化双频微带天线的研究及设计［D］.杭州：杭州电子科技大学，2010.

［3］Ludwig R，Bretchko P.射频电路设计—理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，2011：62－66.

［4］Yaghjian A D.Impedance，bandwidth and Q of antennas［J］.IEEE Trans Antenn Propag，2005，53（04）：1298－1324.

［5］Thiele G A.On the lower bound of the radiation Q for electrically small antennas［J］.IEEE Trans Antenn Propag，2003，51（06）：1263－1269.