ABSTRACT

With the developing of radio technology, array antenna is widely used in radio system. And planar inverted-F antennas have advantage of low cost, easy production, and high efficiency. In this paper, the influence of the number and height of bending lines on the performance of the planar inverted-F antenna is analyzed. An optimized planar inverted-F antenna is proposed, and an ultra-high frequency array antenna is built up. The HFSS simulation and the physical test prove the excellent performance of the antenna in the UHF band.

Keywords:PIFA, Ultra-High Frequency, Array Antenna

超高频段PIFA阵列天线的优化设计

谷成，轩秀巍，明强，任福源，薛宏利

天津理工大学电子信息工程学院，天津

收稿日期：2017年3月12日；录用日期：2017年3月25日；发布日期：2017年3月31日

摘 要

随着无线电技术的进步，阵列天线在无线电系统中被广泛应用。平面倒F天线(PIFA)具有成本低，易生产，效率高的特点。本文首先分析了不同弯折线数目、高度对平面倒F天线性能的影响，提出了优化的平面倒F天线，并以此为单元建立了超高频段阵列天线。通过HFSS仿真和实物测试，证明了该天线在超高频段的优秀性能。

关键词 :平面倒F天线，超高频，阵列天线

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1. 引言

随着移动互联网(Mobile Internet)时代的到来，天线作为移动终端与基站之间的桥梁，在日常生活中随处可见。而在军事上天线是雷达、导航、通信、遥测等系统最重要的器件之一。一架军用飞机上安装的天线多达70个。没有天线的作战平台将失去几乎所有的作战能力。随着系统功能的拓展和性能的提高，无线电系统对天线提出了越来越苛刻的要求，促使天线工程师在天线设计时不断地引进新的技术，以满足总体系统的要求。

人们发现了传统的平面倒F天线(PIFA)该天线设计简单、工作效率高、价格低廉、方便集成化生产，性能良好等优点 [1] 。一般情况下，单个天线能够独立地完成辐射和接收电磁能量，但是单个天线有自己的局限性。当单个天线的形状固定了，那么天线很多性能参数就被固定了，这时，就需要由诸多单个天线组成的阵列天线来替代单个天线，阵列天线可以弥补单个天线许多不足之处。

众所周知，天线是一种用来发射和接收电磁能量的设备。一般情况下，单个天线能够独立地完成辐射和接收电磁能量，但是单个天线有自己的局限性。在一些要求苛刻的情况下，单个天线就无法满足某些要求。这时，就需要由诸多单个天线组成的阵列天线来替代单个天线，以弥补单个天线的不足之。阵列天线按照单个天线空间位置不同可分为三类：线阵、平面阵和圆阵。这三种阵列天线的区别在于单个天线的中心是分布在直线上还是在平面上或者在圆环上。设计阵列天线的难度和复杂度相比较于单个天线来说不仅仅是成倍数关系，单个天线不需要考虑天线间的互耦，也不需要考虑天线整体的方向性。影响阵列天线主要性能参数有很多，如单个天线的个数，每个单个天线的空间位置，加载在每个天线上的激励等。

本文使用HFSS建立模型并进行仿真 [2] ，分析平面倒F单元天线以及加载不同高度、数目弯折线对天线性能影响进行研究，最后根据仿真结果综合分析，得出超高频段平面倒F阵列天线设计方案，最终做出实物并测试。

2. 超高频段平面倒F阵列单元天线设计

经查找和阅读天线的相关论文以及天线尺寸的理论公式 [3] [4] [5] ，得到PIFA天线的初始数据，如表1所示。

其中：H为天线基质的厚度、L1为辐射片的长度、W1为辐射片的宽度、Lg为接地平面的长度、Wg为接地平面的宽度、Xf为同轴馈线的圆心横坐标、Yf为同轴馈线的圆心纵坐标、SW为短路片的宽度、r1为同轴馈线中内芯的半径、r2为同轴馈线中外芯的半径。单元PIFA天线的尺寸为：60 mm × 120 mm × 10 mm。

边界条件和端口激励的添加如下：

1) 设置天线基质材料为泡沫，泡沫的相对介电常数为1.06，损耗正切值为0.005。

表1. 天线的初始数据

2) 设置天线模型为理想导体边界Perfect E，然后将金属短路片和辐射片都设置为铜材料。

3) 因为此款天线的激励端口位于模型内部，则设置端口激励为集总端口激励(Lumeped Port)。

4) 设置辐射边界为理想辐射边界，天线边缘距离辐射边界应大于1/4个辐射波长。

3. 不同弯折线数目、高度对天线性能的影响

3.1. 不同弯折线数目对天线性能的影响

平面倒F天线加载的不是弯折线而是弯折面。首先分析不同数目弯折线对天线性能的影响，保持辐射片的面积不变，只是改变弯折数目，进行仿真分析。如图1所示。

图(a)、(b)、(c)、(d)分别表示没有加载弯折、一次弯折、两次弯折、三次弯折对应天线回波损耗曲线图，从图2可以看出，随着弯折数目的增加，天线的谐振频率逐渐降低，0.92 GHz点对应的回波损耗逐渐增大，−10 dB对应的带宽也逐渐减少。

图3表示弯折数目对天线输入阻抗的影响。

从图3可以得到，随着弯折数目的增加，天线输入阻抗的实部(电阻)逐渐减小，虚部(电抗)逐渐增大。

综上所示，改变加载平面倒F天线的弯折线数目，天线性能会发生以下变化：

1) 天线谐振点会逐渐降低；

2) 回波损耗逐渐加大；

3) 天线输入阻抗实部逐渐减小；

4) 天线输入阻抗虚部逐渐增大。

3.2. 不同弯折线高度对天线性能的影响

天线高度的变化从1 mm到7 mm，通过软件HFSS仿真，结果如图4、图5和图6所示。

从上面三个图可以看出，随着弯折线数目的增大，天线谐振频率点逐渐左移，且回波损耗逐渐增大。

图1. 不同数目弯折线的平面倒F天线

图2. 不同弯折数目天线对应的回波损耗曲线图

图3. 不同弯折数目对应输入阻抗曲线

图4. 加载一个弯折线的高度变化回波损耗曲线图

4. 超高频段平面倒F阵列天线设计与仿真

在完成对平面倒F单元天线以及加载不同高度、数目弯折线对天线性能影响的探讨后，下面着手研究超高频段平面倒F阵列天线的设计并加以仿真。平面倒F阵列天线如图7所示。

此款阵列天线的单元天线是第三节所设计的，用软件HFSS仿真，仿真结果如图8所示。

改变阵列天线的辐射片长度，得到回波损耗扫频图，如图9所示。

辐射片长度从53 mm变化到58 mm，图中横坐标表示的是长度，图中的点表示的是天线工作在0.92 GHz上的回波损耗。天线的方向性图如图10所示。

图5. 加载两个弯折线的高度变化回波损耗曲线图

图6. 加载三次弯折线的高度变化回波损耗曲线图

图7. 平面倒F阵列天线图

图8. 阵列天线回波损耗曲线图

图9. 不同辐射片长度对应的回波损耗曲线图

图10. 阵列天线的增益方向图

从图中可以看出阵列天线正面的增益为2.33 dB，背面的增益为0.86 dB。设计的天线实物如图11所示。

图11中，实物上方是一层铜箔纸，中间是厚度为10 mm的泡沫，下方一层铜箔纸，泡沫中镶嵌着6 mm × 10 mm的铜箔纸为短路金属片。用频谱分析仪测量天线的回波损耗，如图12所示。

图11. 平面倒F天线标签实物

图12. 回波损耗曲线

实物天线工作的谐振频率为910 MHz，比仿真时小了10 MHz，谐振点上的回波损耗大约为−6.7 dB。在860~960 MHz范围内该天线都可以工作。

5. 结论

本文通过分析具有不同弯折线数目和高度对平面倒F天线性能的影响，总结得出了具备优化性能的该类天线。利用得到的参数，建立了超高频PIFA阵列天线。模型仿真和实物测试表明该款天线在超高频段回波损耗较小，工作性能良好。

基金项目

天津市科技发展战略研究项目(15ZLZLZF00300)，天津市大学生创新创业训练计划项目(201610060074)。

文章引用

谷 成,轩秀巍,明 强,任福源,薛宏利. 超高频段PIFA阵列天线的优化设计
The Optimal Design of UHF PIFA Array Antenna[J]. 电路与系统, 2017, 06(01): 21-31. http://dx.doi.org/10.12677/OJCS.2017.61003

参考文献 (References)