具备滤波效果的带开路枝节的PIFA天线设计

秦祥宏

（深圳市共进电子股份有限公司，广东 深圳 518122）

0 引言

Wi-Fi已经成为人们接入无线网络的主要方式，随着无线产品的大量应用，人们对无线连接速率、稳定性的要求不断上升，现在高速Wi-Fi6(IEEE802.11AX)双频已经推出市场，未来增加Wi-Fi6E的6 GHz频段，这些频段的信道宽度从20 MHz、40 MHz、80 MHz、160 MHz、320 MHz不断的增加，相邻信道之间的干扰就逐渐严重，或者带外杂散信号的干扰程度也在加剧。

对于信道间的干扰问题，可以从电路上去修改设计，增加滤波器抑制信道带外杂散，提升信道隔离段抑制等技术，但是带来的弊端是很明显的。假如在天线端如果能够实现滤波的功能，叠加电路端的滤波功能，共同实现对干扰的抑制，将是一个低成本的可行方法。本文提出一种应用于Wi-Fi频段（2.4 GHz）的PIFA天线，采用增加开路枝节的设计方法，可明显改善对近带和远带频段的抑制度。通过仿真分析和实物的测试验证，确认了本设计的可行性。

1 PIFA天线概述

平面倒F天线（PIFA）是平面单极子天线的一种变形，其目的是为了解决倒L天线输入阻抗不易调节的问题[1]。在天线的馈电端，电流最大而电压最小，电流沿着天线逐渐减小，当到达末端时，电压最大而电流最小。按照阻抗与电压和电流的关系，在天线的输入端阻抗最小，最末端阻抗最大，根据基本理论可知，半波偶极子的阻抗为73.1 Ω，单极子是半波对称振子的一半，则其阻抗为36.5 Ω[2]。通常通信设备射频端口特性阻抗为50 Ω，所以阻抗并不匹配。由于PIFA天线上阻抗沿着本体在变化，所以必然能在输入端和末端找到一点，从这点引出馈电点来匹配50 Ω，这就是倒F天线的由来。如图1所示。

图1 常规PIFA结构

平面倒F天线最大的优点就是可以改变馈电位置，将输入阻抗调整至50 Ω，在设计倒F天线的时候，主要有三个结构参数决定天线的输入阻抗、谐振频率和阻抗带宽等性能[3]。这三个结构参数分别是天线的谐振长度L，天线的高度H及两条垂直臂之间的距离S。各个参数的具体影响如下：

（1）当L长度增加时，天线的谐振频率降低，输入阻抗降低。反之，当L长度减小时，天线的谐振频率升高，输入阻抗变大。

（2）当H增加时，谐振频率降低，输入阻抗增加。当H减小时，谐振频率升高，输入阻抗减小。

（3）当S增加时，谐振频率升高，输入阻抗减小。当S减小时，谐振频率降低，输入阻抗增加。

按照上述原则[4]构建一个常规PIFA天工作在Wi-Fi的2.4 GHz频段，模型设计完成后，通过仿真软件CST进行相关计算，结果如图2所示。

图2 常规PIFA基本形态

解读图3所示常规PIFA的S11图可以知道，天线在2.4～2.5 GHz频段中，S11已经达到最低-30 dB的低点，完全可以满足回波损耗的技术参数要求，需要看临近频率点的S11相差值有多大。

图3 常规PIFA的S11图

表1 常规PIFA仿真S11各频点值

长期以来，我们都是可以接受这个指标的，并没有觉得有什么不妥，但是在实际的产品设计和调试过程中，我们发现出现一些很严重的问题。例如，在2.4 GHz频段与5 GHz频段两个信号通道同时工作时，主板2.4 GHz频段主晶振的谐波分量严重干扰5 GHz频段，导致5 GHz频段的无线流量出现快速下降，一旦关闭2.4 GHz频段信号，5G频段无线流量恢复正常。再例如，10 Gbps的GPON模块对2.4 GHz频段信号有明显的干扰阻塞作用，一旦同时处于工作状态，2.4 GHz频段无线信号流量会明显下降，关闭GPON模块后，2.4 GHz频段信号流量恢复正常，所以这些信号都在相互干扰，形成复杂的窜扰机制。常规解决方案就是采用引言中所提到的，在PCB的信号通路中增加滤波器以抑制干扰，将干扰信号降低到可以对有用信号基本不产生负面效果的程度，但是如此以来，又出现了几个方面的副作用：一是大幅增加成本；二是明显增加信号通道的衰减；三是增加电路设计难度。

PIFA天线因为先天的小尺寸的优势，在各种小型通信产品中应用极为广泛[5]，但是对PIFA天线的抗干扰性的研究、从滤波功能方向去思考的文献很少，说明这个思路还需要挖掘更好的设计方法。

2 天线改进设计

本文提出一种新的带滤波效果的PIFA天线，在常规PIFA的结构基础上，改变天线的接地结构，在接地块上端形成开路线，此开路线同时也成了PIFA天线的馈电点的接地点，然后在开路线上选取一个点形成辅助的短路线，建立图4的仿真模型[6]，此模型与图2所示的常规PIFA的尺寸基本相同，例如，大地面、天线高度、辐射振子长度、馈点位置都完全相同，天线的谐振频率为2.4 ～2.5 GHz[7][8]。

图4 改进型PIFA仿真模型

改进型PIFA仿真S11各频点值如表2所示。

表2 改进型PIFA仿真S11各频点值

从两种天线在2.5 GHz有用频点之外的临近频点，例如3 GHz和3.5 GHz两个点的差值Δ可以看出明显的变化，改进型天线模型在2.5 GHz到3 GHz这一段的驻波上升速率加快很多[9]。从表3的数据可以得出差值Δ，这一段的衰减抑制速率加快对信号的带外衰减是非常重要的，可形成对邻频的明显抑制作用。

表3 改进型和常规PIFA的频点差值

在3 GHz这个频点的差值是最大的，达到了7.346 dB，这个差值在实际产品中是可以等效为两级LC微带滤波器的抑制度，换种理解就是，天线已经可以类似替代两级LC滤波器的效果。

比较前后两个PIFA的辐射场型，两个模型的辐射场型基本一致，没有出现信号畸变的情况，说明增加的开路线和短路线对天线辐射特性是没有负面效果的。

从图5、图6可以看出，馈点是电流的最大位置，这个电流会在对应的地面产生强烈的耦合电流，如果这个电流场被改变，那么天线的输入端的阻抗就会改变，改进型的PIFA通过开路线的引导，电流场和大地是隔绝的，然后再经过高阻抗的短路线与地形成连接，这种电流分布与常规PIFA上具有完全不同的阻抗值。本质的差异就是改进型PIFA的输入阻抗值是由馈点线、开路线、短路线、有限地、接地段组成的矩阵阻抗共同构成，通过修改有限地的尺寸，可以改变谐振频率，尺寸减小输入端阻抗呈现容性，谐振频率上移，反之则相反。常规PIFA的阻抗相对简单，由馈点线、地面、接地段的矩阵阻抗形成。

图5 常规PIFA表面电流分布

图6 改进型PIFA表面电流分布

3 实物制作及测试结果

根据仿真的结果，我们制作了实物样品（图7），经测试验证，确认实物样品的性能与仿真结果吻合度很高。

图7 天线实物

我们再来整理每个频点的实测数据的差值Δ，并与仿真结果做个对比。

表4 实物样品的测试数据对比

改进型和常规型PIFA天线的增益值和辐射效率分别如表5、表6所示。

表5 改进型和常规型PIFA天线的增益值

表6 改进型和常规型PIFA天线的辐射效率

图7中，主板上面为带开路枝节的改进型PIFA天线，主板下面为常规PIFA天线，尺寸按照仿真模型制作。中间的主板尺寸为100 mm×55 mm×1 mm，双面板，板材使用FR4基板，铜箔厚度为0.035 mm（1盎司）。改进型和常规型PIFA天线的S11对比如图8所示。

从表5、表6可以看出，改进型PIFA的增益值比常规性PIFA稍高，这可以解读出辐射信号的覆盖区域稍微集中，导致某一个区域信号峰值较高。

改进型PIFA的辐射效率与常规性PIFA基本持平，说明两种天线的辐射特性基于同样的基材条件下，是可以达到同样的辐射性能的。

我们还整理出辐射图形（图9、图10），因为改进型PIFA的接地点的不同，导致地电流分布差异非常大，该地电流是PIFA辐射的镜像电流，此电流形状改变必会导致PIFA天线的辐射方向的改变。

图9 常规PIFA天线辐射图

图10 改进型PIFA辐射图

4 结束语

本文提出了一种具备滤波效果的带开路枝节的PIFA天线设计方法，采用该方法设计的天线具备良好的辐射特性，该方法可以应用于不同频率的PIFA天线设计中，适用于小型电子产品的天线设计，可明显提高边带抑制指标。■