李时良， 冯正和

（①中国空间技术研究院第503所，北京 100086；②清华大学 电子工程系，北京 100084)

0 引言

无线通信多业务的发展推动了现代通信终端天线向小型化、多功能（多频段、多极化和多用途）的方向发展，设计小型化多功能天线已成为当前天线研究的重点。大多数的移动终端天线都安装在一个空间有限的载体上，因此载体对天线的影响性能的影响也都正成为人们研究的一个热点。

从终端天线所采用的天线技术来看，终端天线早已从传统的天线设计进入多种结构、多种材质、特性多样化的新型的天线设计领域。在众多的终端天线中，通常采用的方案有贴片天线[1]、平面倒F天线（PIFA）[2-3]和单极天线[4-5]这3种。在现代无线通信商业应用中，PIFA是应用最为广泛的一种内置终端天线，主要是由于PIFA的结构尺寸较小，易于与终端设备组装。另一方面，PIFA最重要的是其双极化特性，这是终端设备对天线的一项重要指标要求，这意味着天线可以接受任意方向上的来波信号。另外，PIFA实现宽频带和多频段的方式主要有表面开槽、探针加载、采用折叠形贴片和耦合馈电等[1-4]。

现在对终端天线研究的基础上，设计了一种新颖的小型单馈电点平面倒F天线。利用商业软件 Ansoft HFSS 进行了天线模型的计算仿真，使天线能覆盖GPS、DC、PCS、UMTS以及WLAN等多个频段，满足不同实际应用的需求。根据仿真结果对天线进行了试验件加工，并进行了电性能测试，另外将天线安放在载体上进行了辐射方向图的测试。

1 天线设计和测试结果

PIFA的谐振频率表达式为：其中λ为谐振频率波长。

式(1)中并没有考虑短路板宽度W的变化。从图1表面电流的分析结果来看，四分之一波长应为电流流经短路板和平板单元的总有效长度。

图1 PIFA表面电流随辐射贴片大小比L1/L2和短路片宽度W的变化[6]

因此，当 W / L1= 1时，谐振频率表达时为：

当0 ＜ W / L1＜ 1 时，谐振频率计算公式如下：

式中1/r W L= ，12/k L L= ，谐振频率1f由式(2)得到。

谐振频率2f由下式得到：

根据式（1）、式（2）、式（3）、式（4）和式（5）确定设计的PIFA的初始尺寸，通过改变天线的馈电形式，利用HFSS软件不断优化改进，最终确定天线的形式如图2所示。图2所示的天线主要由接地板、辐射贴片、短路片、馈电贴片和馈电探针组成。馈电探针与馈电贴片直接相连，并通过馈电贴片与辐射贴片之间的耦合对辐射贴片进行馈电。通过将馈电贴片改为阶梯型来改善天线的频带特性扩展带宽。

最终天线的设计尺寸为：

接地板尺寸：L=60 mm,110W= mm;

辐射贴片尺寸： Lp= 2 8mm,Lpe=3mm;

短路片尺寸：H=8 mm, W=5 mm;

馈电贴片尺寸： Lc1= 1 4mm, hc= 1 .5mm;

Lc2= 1 4mm,W2=9mm;

馈电点位置：F=5 mm。

根据最终的设计尺寸，对天线进行了试验件加工和测试，图3为天线端口的反射参数S11测试的曲线，测试结果显示天线的S11在1 500～1 650 MHz和1 710～2 670 MHz频带内小于-9.5 dB，覆盖GPS/DCS/PCS/UMTS/WLAN等多个频段。图4为天线仿真方向图与测试方向图比较，从图4可以看出，天线最大增益大于1 dBi，天线在全向范围内波动5 dB左右，可完全满足实际使用要求。表1为天线在主要频点的测试增益值。

图2 PIFA结构示图

图3 天线实测反射参数S11曲线

图4 天线在1 800 MHz时的仿真与测试方向

表1 天线在主要频点的测试增益值

2 载体对天线性能的影响

天线作为终端设备的一部分，最终需要安装终端载体上的，因此终端载体对天线性能的影响必须进行考虑。图5为天线安装在便携式笔记本电脑一侧时的测试方向图。从图5可以看出：由于笔记本电脑内主板、键盘地板及电池等的影响，天线方向图发生了一些畸变，尤其在x-z平面内，方向图变形较为严重，但总体而言仍是全向性的。测试结果表明，该天线适用于终端通信设备。

图5 天线安装在便携式笔记本电脑一侧时的测试方向图（f=1 800 MHz）

3 结语

通过对已有的各种不同形式的终端天线研究，提出了一种适用于终端通信设备的小型宽频带天线，利用商用软件Ansoft HFSS的对天线方案进行了仿真优化，根据优化结果进行了天线试验件加工和测试，测试结果显示天线的反射参数S11在1 500～1650 MHz和1 710～2 670 MHz频带内小于-9.5 dB, 覆盖GPS、DCS、PCS、UMTS以及WLAN等终端设备通信频段。在封闭微波暗室内对试验件天线辐射方向图和增益进行了测试，测试结果显示天线实际性能满足终端设备的使用要求。

[1] CHEN H T, WONG K L, CHIOU T W. PIFA With a Meandered and Folded Patch for the Dual-band Mobile Phone Application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,51(09)：2468-2471.

[2] GUO Y X, TAN H S. New Compact Six-Band Internal Antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2004(03)：295-297.

[3] LIN S Y. Multiband Folded Planar Monopole Antenna for Mobile Handset[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2004,52(07)：1790-1794.

[4] 郝凤玉,周希朗.一种新型超宽带平面单极微带天线的设计与研究[J].通信技术,2008,41(01)：25-27.

[5] 施胜杰,郭辉萍.一种新型超宽带平面单极天线的设计[J].通信技术,2009,42(01)：112-114.

[6] HIRASAWA K, HANEISHI M. Analysis, Design, and Measurement of Small and Low-Profile Antennas[M].Boston： Artech House, 1992：165-166.