三频小型化倒F天线设计

1.引言

    目前国内外的倒F天线都有如下研究：主要对PIFA进行多频段、宽频段和对天线中的地板特性等方面的研究。例如：(1)可以在辐射贴片上开矩形槽并加上三个负载贴片，并且这些负载贴片要求是容性的，这样设计可以满足PIFA天线多频段的要求，能在四个不同频段工作；(2)用两个尺寸大小不相同的半圆形作为辐射贴片。两个半圆形贴片采用不同的馈电方式，分别是采用同轴馈电和耦合馈电，每个半圆形的贴片都必须要通过短路金属片与接地板连接，为了降低天线的高度，在其中添加了介质材料，这样就设计了一个用于IMT2000的宽频带PIFA天线；(3)还有一种很创新的开槽的方式就是在地板的两侧分别交叉开出12个矩形槽，贴片既要向下弯曲折叠也要以蜿蜒的路径延长电流，这样设计不仅仅增大了天线的带宽和增益，而且使天线的尺寸更小。(4)还有一种不同的辐射方式，这个天线是在PCB板上印刷辐射单元，贴片的后部要折叠回旋，贴片的右侧接地短路采用的是切角形式，对左右的贴片采用微带线进行馈电，这样就实现了2.4GHz和5.2GHz谐振。

    综上可知倒F天线的性能的影响因素很多，比如可以在天线的辐射贴片、短路金属片，馈电方式、接地板开槽都可以较大的改变天线的性能。所以在设计的时候要综合考虑每个部分的影响，这样就可以设计多频段的天线。

2．PIFA的基本理论和特性参数

    PIFA(Planar Inverted F-shaped Antenna)天线就是平面倒F天线的英语首字母缩写，因为天线的结构像一个倒着的字母“F”，所以就将这种天线称为倒F天线。这么多年来，倒F天线一直作为手机设备的天线使用，据不完全的统计超过60%的手机的内置天线就是平面倒F天线。PIFA天线的就是采用辐射体为金属辐射单元，外加一个接地平面作为反射，短路金属片连接辐射单元和接地平面的结构。如图1所示为一个双频PIFA天线实物。

图1 双频手机PIFA天线实物

图2 PIFA天线设计模型

3.利用HFSS进行仿真和优化

    3.1 HFSS的基本介绍

    HFSS是ANSYS公司开发出来的一个可以进行三维电磁仿真的软件，因为这个软件仿真的结果较为可靠且仿真速度很快和比较成熟的自适应网络剖分技术，所以在进行电磁仿真的时候都首先选用HFSS3]。HFSS的操作界面简洁直观，功能无比强大的数据处理器，求解方式是利用切方向的有限元法求解，而且还可以仿真设计天线和天线阵列。就HFSS其快速和精确计算的特点，可以计算出天线的方向性、增益、S参数和电压驻波比等各个参数。