基于DGS的三频PIFA设计

姜 宇，杨 帆，孙岳忠，伍 越

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨150001)

随着通信技术的快速发展，小型多频天线得到了越来越多的关注和研究.而手机天线作为发射和接收电磁波的重要射频前端器件，其未来发展趋势也必定是小型化、多频化和内置化[1].

微带天线以其体积小，质量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形，能和有源器件、电路集成为统一的组件，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本，并便于实现圆极化、双极化和多频段等优点得到日益广泛的关注和应用.由于这些特点，微带天线在无线通信领域中非常具有吸引力.而PIFA是微带天线演变而来的，因此PIFA以其低轮廓、质量轻、多频段和内置天线等特点很容易的应用于个人通信设备中[2－3].实现其多频段技术主要采用单层多模、多层重叠贴片和单层加载的方法.其中单层加载技术中的缝隙加载，也就是通常所说的贴片表面开槽设计，以其简单实用、易于加工、有效降低天线尺寸的优势引起了普遍关注[4－6].但是，PIFA的窄频带是其在无线通信应用中的一个限制.利用在接地板上开槽的技术，即缺陷地结构(DGS－detected ground structure)，可以实现天线的宽频带要求[7].DGS结构也是通过在电路的接地板上蚀刻出缺陷图案，以改变电路衬底材料有效介电常数的分布，从而改变微带线的有效电感和有效电容，使得由DGS结构构成的微带线具有慢波特性和带阻特性[8－9].因此，DGS结构可以用来抑制天线高次谐波、提高天线增益和带宽、改善效率、提高Q值等.同时可以用电路模型来解释PIFA辐射贴片和有限接地板之间的相互影响的关系，而接地板的尺寸和形状在实现终端天线宽频带过程中起着重要作用，在接地板开槽能够优化天线的宽频带[10].

本文基于对小型化、多频化天线的分析研究提出一种新型缺陷地结构的平面倒F型三频微带天线.该结构的主要特点是在辐射贴片上利用开槽技术实现双频操作，同时在接地板上通过缺陷地结构的设计实现了谐振、展宽频带和结构的小型化.通过仿真设计，实现了可在GSM(880～960 MHz)/DCS(1710～1880 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)3个频段工作的三频天线，并且在各个频段的频带宽度也比较理想.

1 天线结构及分析

1.1 开槽设计分析

常用的微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为基地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针针对贴片馈电，这就构成了微带天线.而在手机中应用的天线即为变形的微带贴片天线，其辐射在微带天线导体边沿与接地板之间的边缘产生的.以微带贴片天线为例，它由介质基片、导电贴片与接地板构成.假设电场在沿微带贴片的宽度与厚度方向没有变化的情况下，则电场在辐射贴片上仅与辐射贴片长度方向变化有关，整个贴片可以等效为相距一定长度(贴片长度)、同相激励并向地板以上半空间辐射的2个缝隙.同理，按照相同的分析方法将电场随着贴片宽度的变化也考虑进去，则微带贴片天线就可以用贴片周围的4个缝隙来表示[11－12].

一般意义上的PIFA是在微带天线结构的基础上发展而来的，将其辐射贴片的一端利用馈电和短路壁与接地板相连的方式进行短路，另一端开路(即悬空)，中间采用空气作为介质，不加其他任何处理，只要设计好天线的尺寸以及馈电点，就能够实现2个或者更多的谐振频率.

由PIFA的谐振频率简化公式入手:

其中:L1、L2分别为天线辐射贴片的长度和宽度.因为天线本身就是一个一端开路并且可以向外界辐射电磁波的谐振体，其最本质的特性即为谐振频率，而其谐振频率主要就是由辐射体本身的长度、宽度这些结构参数来决定的，其他的结构(如短路壁、开槽等)都可以针对谐振频率在较小的范围内进行微调，同时辐射贴片的宽度L2还在一定程度上影响微带天线的频带宽度和辐射效率.在尺寸允许的条件下辐射贴片宽度L2取得适当大些对频带、效率和阻抗匹配都有利.

通常，天线的频带以输入端电压驻波系数VSWR值小于某个给定值的频率范围BW来表示.若VSWR给定值为s，则VSWR＜s时的带宽计算公式如下.

其中:Q是天线的总Q值.可以利用增大高度h来增加传输线特性阻抗，进而展宽频带.当高度h＜λ/16时，VSWR≤2的频带宽度的经验公式可近似为BW=5.04f2h.由此式可知，当谐振频率f确定后，可调节天线高度能够影响天线带宽.

上述的因素是相互制约的，若为了展宽频带和提高效率而增大辐射贴片的高度h，将会增加整个天线的质量，而且会破坏天线的低剖面特性，这对于空间小、精度高的手机天线是不可取的，因此需要综合考虑这些相互制约因素，以达到最佳的效果.

PIFA“开槽”技术是在其辐射贴片上进行“开槽”，其贴片结构发生了变化，则表面的自然模就会被改变，表面的电流分布也随之发生了改变，这样，就可能会对原来的谐振产生较大的影响(包括其谐振频率和带宽)，而且还会产生新的附加频率，即所谓的“多频”谐振，此时的手机天线就是贴片天线和缝隙天线的组合[13].贴片天线容易设计加工，可以双频工作;缝隙天线可以产生单向或者双向方向图，并且对制造公差的敏感性比贴片天线小.限于手机对天线体积、质量和制造工艺的要求，在贴片上开槽，通过人工额外加载缝隙的办法，较小限度地改变天线结构，而较大限度地改变贴片表面的电流分布，从而实现增加频段、扩展频带的目的.只要仔细调整开槽的位置，槽的尺寸以及开槽缝隙的宽度，同时在合适的位置加载短路壁和馈电点，就有可能使高次模的谐振频率降低到需要的频段，同时又不影响低次模在低频段上的应用.因此，近年来在多频天线设计中，经常采取这种方法[14].

DGS通过在电路的接地板上蚀刻缺陷的图案形成的，在接地板上蚀刻缺陷的图形会扰乱接地板上传到电流的分布，改变电路衬底材料有效介电常数的分布，从而改变基于该介质上共面波导的分布电感和分布电容，进而使得此类共面波导具有带隙特性和慢波特性.由于DGS仅由一个缺陷单元构成，因此它的带隙中心频率仅由该缺陷单元结构决定[15].DGS结构简单，无需引入电磁场的数值计算;同时通过采用简单的LC等效电路建模可实现电路级的快速分析.在同等工艺条件和性能要求上，对考虑电路尺寸而带来经济成本变动较敏感的手机集成电路而已，DGS结构具有很强的竞争力[16－18].

1.2 天线结构分析

本文所设计天线结构包括一个上层的主辐射贴片(图1)，下层的接地板(图2)、同轴馈电线和一个短路壁.如图1所示，同轴馈线距主辐射贴片的长边和短边分别为3 mm和6.5 mm，短路壁长度为3mm;接地板大小为100mm×40mm，天线的辐射贴片安装在该地板的上部，外轮廓尺寸44 mm×25 mm.图3给出了天线整体的侧视图，从图3中可以看到天线和地板之间相距4 mm，天线L型开槽辐射贴片和DGS均蚀刻在0.4 mm的FR－4介质上.辐射贴片上用L型槽可以实现双频功能，并通过短路壁与接地板相连;接地板上加载DGS，增加天线的谐振频率，使天线的整体结构实现三频功能;天线采取同轴馈电，内导体接在主辐射贴片即天线上，外导体与接地板背面的传输线相接，通过与馈电点的匹配调节，即优化设计，实现与同轴线50Ω的阻抗匹配，降低回波损耗，在图4中，可以看到其反射系数(S11)小于－5 dB(此时天线可以正常工作)，同时将普通的接地板和开槽的接地板在他们的谐振频率和带宽上进行了比较，可以看出接地板的DGS对高频带宽具有很大的影响，实现了展宽天线频带的目的，达到了一定的带宽要求.

为了使其结构尺寸减小，天线的辐射单元利用开槽技术蚀刻出缝隙，并在辐射单元进行L型开槽以及在接地板上蚀刻出DGS，同时通过仿真计算不断的优化其结构尺寸，调整其各个频带的宽带以及反射系数等其他参数，最终实现了在GSM端f1带宽84 MHz大约为9.14%，在DCS端f2带宽197 MHz大约为10.94%，在UMTS端f3带宽319 MHz大约为15.49%.天线的具体尺寸在其结构图中标出，如图1～3所示(单位:mm).

2 实验结果分析

2.1 加载DGS和未加载DGS时对S11参数的影响

本文基于接地板的DGS及主辐射贴片的L槽分析设计了一种的平面倒F型天线，并通过仿真计算实现了其三频的功能.图4为加载和未加载DGS时的天线反射系数特性曲线，由图4可见，天线在加载DGS后不仅扩宽了频带，并且实现了三频的目的.该天线实现了877～961 MHz，1 703～2 219 MHz，频带内S11＜－5 dB(此时天线能够正常工作)，因此天线频带完全覆盖GSM/DCS/UMTS的工作频段.

图4 加载DGS和未加载DGS时的S11对比

2.2 DGS长度对S11参数的影响分析

通过仿真，发现DGS的长度对于两个高频谐振的影响非常敏感，取DGS长度分别为24.3、23.3、22.3 mm，通过仿真可以发现当DGS长度减小时两个谐振频率都开始向更高频段移动，其相应的S11值变大，频带变窄，如图5所示，通过优化，最终取DGS的长度为24.3 mm，宽度为8 mm，此时获得两个高频是我们所需要的.

图5 DGS不同长度时仿真S11

2.3 槽短边宽度对S11参数的影响分析

在天线辐射贴片结构中一个非常重要的参数就是L槽短边宽度，即相应的图6中的参数L1的长度.当调节L1的长度时 ，可以明显地改变高频的频率值和其相应的反射系数.从图6可以清楚地反映出，高谐振频率都随着L1增大(即相应L槽短边宽度减小)而不断减小，这就为确定该谐振频率提供了方向，基于这种思路进行了相关的天线仿真，并通过对L槽的其他参数进行优化其相应的带宽，最终确定取L1为8 mm，实现了GSM900 MHz/DCS1 800 MHz双频工作.

图6 L1处不同长度时的S11仿真

2.4 辐射方向图分析

图7、8 是按照前述的各项优化参数，给出的该天线在3个谐振点处的E面和H面的辐射方向图.从图7、8中可以清楚地看出，天线在900、1 800、2 140 MHz 3个频段方向图的全向性也很好.

由于PIFA属于小型天线，设计上的微小误差对小天线性能都有很大影响，而且各个参数互相制约，因此有必要对上述的几个主要参数进行细微调节，综合比较，才能优化出合适的天线尺寸，得到理想的性能指标.

3 结语

本文提出了一种基于缺陷地结构的新型平面倒F型天线.该天线由于设计了接地板上的缺陷地结构，从而拓宽了其频带宽度，使天线在880～960 MHz/1 710～2 170 MHz频率范围内的S11达到了 －5 dB以下，满足移动终端在GSM900 MHz/DCS1 800 MHz/UMTS2 000 MHz三个频段的使用要求.通过仿真计算分析，讨论了主要参数的变化对于谐振频率及频带宽度的影响，同时对天线的反射系数和辐射方向图进行了说明，为后续包含其他频带的多频以及宽频天线的研究打下了基础.

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