原标题：一种改进的双频平面倒F天线

摘要：为了展宽PIFA天线的阻抗带宽，采用改变天线馈电结构的方法，应用电磁仿真软件进行仿真模拟，提出一种改进的.双频段.小型平面倒F天线（PIFA）.讨论了馈电结构与天线结构参数对天线阻抗特性的影响，获得天线回波损耗小于-10 dB的相对带宽为10.54%（908~1 009 MHz）及26.38%（2 042~2 662.5 MHz）.天线在两个频段具有良好的辐射特性及增益特性，且该天线尺寸小.重量轻，适用于移动通信终端.

　　0 引言

　　随着无线通信的快速发展，对天线的性能提出了更高的要求，小型化.低剖面天线成为移动通信系统的重要研究内容.由微带天线演变而来的平面倒F天线（PI-FA）具有体积小，重量轻，结构紧凑，成本低，馈电方式灵活等特点，目前被广泛应用于移动终端设备中.但是PIFA 天线的窄频带是其在无线通信应用中的一个不足.单层PIFA 天线通过接地板与PIFA辐射元的耦合，获得了双频段特性，在插入接地板缝隙的贴片枝节长度取17 mm 时，实测相对带宽分别约为10%及4%,低频段相对带宽较宽，但阻抗匹配较差.Y.J. Cho,Y.S. Shin和S.O. Park提出了一种采用同轴馈电的双频段平面倒F天线，通过调整短路探针的位置和辐射贴片的长度，天线带宽覆盖了2.4 GHz蓝牙波段和5 GHz 无限局域网波段，相对带宽分别为4.52%,16.2%,但低频段阻抗匹配较差.两种小型倒F 天线，种通过折叠PIFA 天线的尾部，在2.45 GHz 获得140 MHz 的-10 dB 阻抗带宽，在5.25 GHz 为756 MHz;第二种采用耦合馈电结构，阻抗带宽在2.45 GHz 为240 MHz,在5.25 GHz 为672 MHz.

　　第二种结构的低频段带宽较种结构有了一定的展宽，但高频段带宽变窄.用于GPS终端，总体尺寸为40 mm×25 mm×10 mm的线极化3D平面倒F 天线，在1.57 GHz附近，满足VSWR<2 的相对带宽为2.5%,此天线尺寸较小，但带宽较窄.H.W.

　　Liu和C.F.Yang提出了一种用于2.4 GHz ISM频段，总体尺寸为10 mm×3 mm×3.5 mm的小型PIFA天线，相对带宽为6.48%,其带宽也有一定的局限性.一种用于WLAN频段，采用谐振环馈电的双频平面倒F天线，满足VSWR<1.5 的相对带宽分别为3.68%（2.4~2.49 GHz），13.23%（5.15~5.88 GHz），带宽较宽，但是其应用频段较高.

　　本文在基本PIFA 天线结构基础上，通过改进天线的馈电结构及优化调整天线参数，有效地展宽了天线阻抗带宽.使用电磁仿真软件分析了馈电结构.天线结构中的部分参数对天线阻抗带宽的影响，并分析了天线的辐射特性及增益特性.

　　1 天线结构

　　本文提出的双频平面倒F天线的结构如图1所示，图（a）为俯视图，图（b）为侧视图.图（c）为正视图.建立坐标系于接地板平面，即接地板位于xOy 平面.天线主要由一矩形辐射贴片.短路贴片.馈电结构及接地板构成.辐射贴片位于接地板上方h1.靠近短路贴片的位置，以确保天线元与接地板间的耦合.此天线采用50 Ω同轴探针馈电.天线的总体尺寸大小为90 mm×45 mm×9 mm,天线的尺寸为90 mm,相当于0.27λ（λ为低频段频率对应的工作波长）.部分天线尺寸如下：L=90 mm,W=45 mm,L1=7.48 mm,L3=3 mm,L5=20 mm,L6=6.2 mm,W1=38 mm,W2=31 mm,W5=25 mm,W6=4.51 mm,W7=4.2 mm.

　　2 仿真分析与结果

　　为了获得更好的阻抗特性和辐射特性，下面分析馈电结构尺寸及部分天线结构参数对天线性能的影响.

　　2.1 阻抗特性分析

　　该天线通过改变馈电结构，实现了天线阻抗带宽的展宽，因此馈电结构参数对天线的性能影响较大.下面将主要通过仿真优化L4,W4,h2来分析馈电结构对天线阻抗特性的影响，如图2~图4所示.仿真优化h1,W3,L2来分析天线参数对天线阻抗特性的影响，如图5~图7所示.

　　由图2可以看出，参数L4对天线低频段阻抗带宽影响较小，主要影响高频段的阻抗特性.随着L4的增大，低频段的阻抗带宽及谐振点位置基本不变；而高频段阻抗带宽变窄，谐振点向高频方向漂移，阻抗匹配变好.

　　当L4=7 mm时，出现多频段.

　　由图3可以看出，随着参数W4的增大，高频段谐振点向低频方向漂移，带宽变窄；而低频段阻抗带宽变化较小；当W4=13 mm及W4=16 mm时，出现多频段.

　　由图4 可以看出，随着参数h2 的增大，高频段谐振点发生漂移，带宽变窄；低频段带宽也随着h2的增大而变窄；当h2=5.5 mm时，出现多频段.

　　由图5 可以看出，随着h1 的增大，谐振点向低频方向漂移；低频段带宽变窄，匹配变差；高频段带宽随着h1的增大而变宽，且阻抗匹配变好；当h1=10 mm 时，出现多频段.

　　由图6可以看出，低频段及高频段阻抗带宽均随着W3的增大而变窄，且阻抗匹配变差.

　　由图7可以看出，L2的大小对天线带宽的影响较大，低频段及高频段带宽均随着L2的增大而变宽且阻抗匹配变好.但当L2=10 mm 时，低频段谐振点处不能满足S11<-10 dB 的要求；且L2=10 mm 及L2=13 mm 时出现多频段.终优化的各参数值为：h1=9 mm,h2=7 mm,L2=16 mm,L4=4 mm,W3=14 mm,W4=10 mm.

　　图8为优化后该天线随频率变化的回波损耗曲线，由图8可知，天线具有双频段特性，满足回波损耗小于-10 dB的带宽为908~1 009 MHz,2 042~2 662.5 MHz,相对带宽分别为：10.54%,26.38%,带宽较文献[1]有了改善，阻抗匹配也得到明显提高.

　　2.2 辐射特性与增益特性

　　在天线带宽范围内，选取三个频率点对天线的增益辐射方向性进行分析.图9是天线在950 MHz,2 150 MHz,2 500 MHz的xOz 面归一化辐射方向图.由图9可以看出，天线的低频点的xOz 面方向图类似于单极子天线辐射方向图；高频点近似为全向辐射.图10 是天线在950 MHz,2 150 MHz,2 500 MHz的yOz 面辐射方向图，由图10可以看出，天线在三个频率点的方向图变化不大，均近似为全向辐射.

　　图11是天线在900~1 020 MHz及2 000~2 700 MHz范围内得到的增益曲线图，可知在阻抗带宽908~1 009 MHz范围内，增益变化为3.3~4.06 dB,在阻抗带宽2 042~2 662.5 MHz 范围内，增益变化为-5.18~1.74 dB.低频段增益较高.

　　3 结论

　　本文提出的一种改进的双频平面倒F天线，是在文献[1]提出的单层PIFA 基本天线模型基础上，通过对辐射贴片开缝.折叠而改变了天线的馈电结构，通过对馈电结构尺寸及部分天线结构参数的优化，有效地展宽了天线的阻抗带宽.终实现了回波损耗低于-10 dB的带宽为908~1 009 MHz,2 042~2 662.5 MHz,相对带宽分别为10.54%.26.38%.天线在950 MHz,2 150 MHz,2 500 MHz三个频率点的yOz 面辐射方向图均近似为全向性辐射.该天线体积小，重量轻，结构简单，适用于移动终端设备.