天线设计(改)

折叠分支结构三频平面倒F天线(PIFA)设计

S1008006 徐丽

1.PIFA天线简介

天线分为内置与外置，外置主要使用螺旋或者PCB，螺旋天线一般带宽比较好也比较常用，PCB 天线比较容易调频率易于设计，但爱立信有两项重要专利，所以在欧美市场上很少其他厂商使用。还有一种假内置天线，其实就是外置天线的内置，性能相对比较差，一般不推荐使用。内置天线而言，主要是PIFA与MONOPOLE天线。

平面倒F天线(PIFA)因其具有尺寸小，重量轻且后向辐射小等优点而成为目前内置天线的主要形式。PIFA的结构示意图如下：

图1 PIFA结构示意图

PIFA的演变过程可以从技术和理论两个不同的方面考虑。从技术方面来说，它是由单极天线演变而来；从理论方面，PIFA可以由微带天线理论发展而来。下面详细介绍。

1)由单极天线演变而来

传统的手机天线一般是单极或偶极天线，制作简单，但尺寸较大不易共形。将单极子折倒形成倒L天线。倒L天线剖面较低，也有着比较好的全向辐射特性。但由于将振子折倒从而形成了对地电容分量，其输人阻抗呈现低阻值高阻抗的特性，难以进行阻抗匹配。为了平衡倒L天线由于振子折倒而形成的对地容抗分量，在振子弯折处加载短路结构。该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯折所形成的对地容性分量，从而在不改变天线谐振频率的同时，达到变换阻抗的目的。但是由于线形倒F天线频带窄，通常不到中心频率的百分之一，为了展宽频带，用平板结构来代替导线部分。由于平面部分相当于许多线形天线阻抗的并联，因此平面型天线比线形天线的输入阻抗要低一些，产生了宽带的谐振特性。从而形成了平面倒F天线。上述内容可用图2生动表示：

图2 PIFA的演变过程

2)由微带天线演变而来

平面倒F天线也可以看作是从矩形微带天线发展而来的，其典型结构包括一个矩形金属片（辐射贴片）、一个接地板（通常是电路板），采取同轴线馈电或微带馈电。另外考虑到宽频、小型化等特性要求，还要有一个置于矩形辐射贴片短边边缘处的短路金属片（相当于短路加载）。辐射贴片通过短路贴片与接地板相连，悬空而置，这是与普通微带天线在结构上最大的不同点。在分析时只要将悬空部分当作较厚的介质层处理即可，只是这个介质层的材料是空气，相对介电常数为1而已。

将短路贴片置于辐射贴片与接地板之间，将使矩形辐射贴片的长度减半，实现了微带天线的小型化。具体实现原理可由图3表示。

图3 平面倒F天线的演变过程

标准的矩形微带天线辐射贴片上的电场分布如a图所示：两个开路端处的电场强度是最强的，贴片中间位置电场强度是最弱的。在中间电场最弱的位置将辐射贴片与地板相连，做成短路结构，如图b所示。由于是在电场强度最弱的地方短路，所以短路片的加载对天线辐射特性没有影响。

然后，将一半的辐射贴片去掉，由于短路片的存在，贴片短路的一端还是电场最弱的一端，另一端是电场最强的一端。这样就成了四分之一波长贴片了。如图c所示。

从上面的分析可知：这种短路的矩形微带天线其实际共振模态与矩形微带天线的共振模态是一样的，都是共振在TM10基本模态。

当短路贴片的宽度等于平面矩形辐射贴片的宽度时，即为前面所述的“短路面加载”。当宽度小于辐射贴片的宽度时，即为“短路壁加载”。加载短路贴片，一方面可以实现小型化，另一方面可以使整个天线的有效电感增加，谐振频率低于传统的微带天线，拓展了微带天线在频段方面的使用范围。

2.折叠分支结构三频PIFA结构图

PIFA的几何结构如图4所示，天线放在一个尺寸为30 x 80 mm的地平面的上半部分。该天线具有两个分支结构，共用一个短路片和同轴馈电，面积较大的分支1的共振频率为900MHZ和1800MHZ，较小的分支2将共振频率控制在2450MHZ。这两个分支结构被印制在FR4基底上。该基底的厚度为3.2 mm，面积为7.5 x 24mm2，相对介电常数为4.4。在基底和地平面之间是厚度为2.3 mm 的空气层，实际制作出来的天线是用塑料支撑在基底和地平面之间，从而天线的高度总共为 5.5 mm。整个天线的体积为5.5x7.5x24mm3，即在1cm3。

图4 折叠分支结构三频PIFA的几何图形

3.仿真环境

Ansoft HFSS Design Environment

3D Solid Modeling

Primitives: Cylinders, Boxes

Boolean Operations: Unite, Subtract

Boundaries/Excitations

Ports: Wave Ports

Analysis

Sweep: Fast Frequency

Results

Cartesian plotting

Field Overlays:

3D Far Field Plots

4.天线设计步骤

A.准备阶段

这一阶段主要步骤包括启动Ansoft HFSS，设置工具选项，打开新工程和设置求解类型。其中设置的求解类型为终端驱动(Driven Terminal)。

B.建立3D模型

首先设置模型单位，然后就是设置相应部件的材料。创建部件包括创建基底(Sub1、Sub2)，创建无限接地板、辐射贴片(GND、Ant)并设置为无限导体边界，创建短路圆柱线、馈电圆柱线(Short、Feed)，创建端口(p1)并设置为集总元件端口，创建空气并设置为辐射边界以及设置辐射。各个部件的参数及属性设置都在三维模型窗口的左侧可以看到，边界条件、辐射条件以及辐射的设置都在项目管理窗口中可以找到。图5左边即为项目管理窗口，右边即为三维模型窗口的左侧。3D模型创建完成，天线的几何结构也就完成了，模型如图6所示。

C.分析设置

分析设置包括创建分析设置和增加扫频。创建分析设置首先选择菜单HFSS>Analysis>Setup>Add Solution Setup，其次在设置窗口的General页上设置求解频率为1.8CHz、最大通过数目为20、通过的最大Delta S为0.02。增加扫频首先选择菜单HFSS>Analysis>Add Sweep，然后再扫频窗口中选择扫描类型为快速(Fast)，频率设置类型设置为线性计数(Linear Count)，开始0.8GHz，结束2.8CHz，计数200。注意要勾选保存场。扫频的设置也能在项目管理窗口中（图5的左边）的Analysis中查看并修改。

D.保存工程

选择菜单File>Save As，在Save As窗口中输入文件名为triple_pifa，并点击保存即可。

E.分析

分析包括模型检查和分析两个过程。模型检查为选择菜单HFSS>Validation Check，分析为选择菜单HFSS>Analyze All。这样就完成仿真，接下来就可以查看数据了。