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CN114400446A - 一种小型宽带pifa天线及其设计方法 - Google Patents

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CN114400446A
CN114400446A CN202210012596.1A CN202210012596A CN114400446A CN 114400446 A CN114400446 A CN 114400446A CN 202210012596 A CN202210012596 A CN 202210012596A CN 114400446 A CN114400446 A CN 114400446A
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CN
China
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antenna
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pifa
pifa antenna
length
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CN202210012596.1A
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胡玉禄
李婧涵
黄桃
李斌
杨中海
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University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
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Abstract

本发明属于天线设计领域，涉及一种小型宽带PIFA天线及其设计方法。本发明通过对PIFA天线接地面的电流流向区域沿其电流流向开设贯通接地面的槽，以增加电流路径，达到拓展带宽的目的。本发明提出的小型宽带PIFA/MIMO天线可工作于Wi‑Fi/WiMAX/5G等较宽的移动通信频段，并在保障PIFA天线小型化的基础上，即不增添枝节或增加天线剖面高度的前提下，拓展天线的工作带宽，提升其工作性能；易于集成在无线设备上满足其更多应用需求。

Description

一种小型宽带PIFA天线及其设计方法
技术领域
本发明属于天线设计领域，涉及一种小型宽带PIFA天线及其设计方法。
背景技术
IEEE标准定义(IEEE Std 145 1983)将天线定义为辐射或接收无线电波的一种手段。也就是说，天线是自由空间与导向装置之间的过渡结构。受到激励源的影响，天线中的电荷做变速运动产生电磁波，并将电磁波能量辐射到自由空间中去。
PIFA天线即平面倒F天线，具有结构简单，体积小、重量轻、易与载体共形、可实现宽频带或多频段的优势。并且当今为了提供更高的传输速率，需要高水平的吞吐量、增强的信道容量和更好的可靠性。为了优化其性能，移动终端需要采用多输入多输出(MIMO)天线来满足这些需求。
如今，5G通信开始盛行并且是未来通信的主流。人们在日常生活中对无线系统不断增长的需求促使天线研究人员为此类系统开发更先进的天线。并且当今手机等电子设备对工艺美感的追求趋向极致化，屏幕占比要高，如窄边框、全面屏，厚度要超薄等，这些特点都对移动终端天线的设计提出非常高的要求。
5G移动终端天线的工作带宽和信号覆盖范围也很受重视，传统的PIFA天线多采用复杂的弯折线、螺旋线或添加耦合枝节来扩展频带。但多年来对具有卓越计算效率和高数据速率应用的紧凑型电子设备的需求不断增加，由于传统的天线技术，这些改进已经受到影响。减小PIFA天线尺寸会严重降低天线带宽及其效率。因此亟需新的在不扩大或增加PIFA天线结构，不增加剖面高度的前提下拓展天线工作频带的方法，使其集成在无线设备上后能满足更多的应用。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决由于减小PIFA天线尺寸而引起的带宽降低的问题，本发明提供了一种小型宽带PIFA天线及其设计方法，在不扩大或增加PIFA天线结构，不增加剖面高度的前提下有效拓展天线工作频带。
一种小型宽带PIFA天线，由平面辐射单元和接地面组成，两者通过一个短路接地结构和一个馈电结构连接，平面辐射单元和接地面所在面互相平行。
所述接地面在其电流流向区域沿电流流向开设有贯通接地面的槽，以增加电流路径，达到拓展带宽的目的。
进一步的，所述小型宽带PIFA天线为四单元的MIMO结构，对于四单元的MIMO结构各单元均开设相同贯通接地面的槽。
进一步的，所述槽为L型，其长边长度为L1，短边长度为L2，宽度为w2；辐射单元宽为w1，整体长度为La；接地面长为Lg，宽为wg；且
Figure BDA0003459552410000021
上述小型宽带PIFA天线的设计方法，具体步骤如下：
步骤1、根据公式
Figure BDA0003459552410000022
其中eeff为有效介电常数，λ0为自由空间波长，L为单极子天线长度，确定PIFA辐射单元的基本结构参数：辐射单元宽为w1，整体长度为La；接地面长为Lg，宽为wg。
步骤2、利用电磁场仿真分析软件仿真设计PIFA天线。
步骤3、根据步骤2设计的PIFA天线其接地面的电流分布区域，沿接地面电流分布区域上的电流流向开设贯通接地面的槽。
进一步的，对于步骤3所确定的天线参数，通过仿真软件优化槽的具体尺寸以使得天线性能更佳。
本发明通过对PIFA天线接地面的电流流向区域沿其电流流向开设贯通接地面的槽，以增加电流路径，达到拓展带宽的目的。
综上所述，本发明提出的天线结构紧凑、体积小、重量轻，易于集成在无线设备上；可在保证PIFA天线小型化，即不增添枝节或增加天线剖面高度的前提下，达到拓展器件带宽的目的。
附图说明
图1为实施例PIFA/MIMO天线结构俯视图；
图2为实施例未开槽的PIFA/MIMO天线结构俯视图；
图3为实施例未开槽的PIFA/MIMO天线回波损耗曲线图；
图4为周期内不同时间点未开槽天线接地面电流分布图；
图5为实施例PIFA/MIMO天线接地面开槽后的回波损耗图；
图6开槽/未开槽回波损耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详的细说明。
本实施例的天线结构如图1所示，是以小型PIFA结构为基础形成4端口MIMO结构，整体尺寸仅为30*30*0.8mm3，其中辐射单元宽为w1＝1mm，整体长度为La＝18.5mm，接地面长为Lg＝11mm，宽为wg＝8.5mm。并且通过本发明提出的技术方案，该天线具有2300-5500MHz的良好工作频带，可工作于Wi-Fi/WiMAX/5G等移动通信频段，并可实现Wi-Fi双频工作。
该结构具体实现过程如下：
步骤1、首先利用仿真软件设计一款小型PIFA结构旋转形成的4端口MIMO天线，如图2所示。再通过仿真软件计算出天线端口的回波损耗曲线如图3所示。一般认为天线可以工作在回波损耗低于-10dB处，因此从此图可以看出，此时的天线可工作于2.3-4.6GHz频带范围内。
步骤2、通过对天线的接地平面电流分布进行分析(其地面电流分布情况如图4所示)，在接地面的电流流向区域沿其电流流向开设有贯通接地面的L型槽，以增加电流路径，达到拓展带宽的目的。
进一步的，步骤3、通过仿真软件优化步骤2确定的槽尺寸，以使得天线的效果更佳；最终确定为长边缝隙长度L1＝9.5mm、短边缝隙长度L2＝7mm、宽度为w2＝0.3mm的槽。
开槽后天线的回波损耗图如图5所示，再将两种结构的回波损耗曲线对比在图6中。可以看出通过在PIFA结构的接地面开L型槽，实现了工作频带的拓展，使得该天线可工作于2.3-5.5GHz频带范围内。
通过以上实施例和对比例可见，本发明通过对PIFA天线接地面的电流流向区域沿其电流流向开设贯通接地面的槽，以增加电流路径，达到拓展带宽的目的。本发明提出的小型宽带PIFA/MIMO天线可工作于Wi-Fi/WiMAX/5G等较宽的移动通信频段，并在保障PIFA天线小型化的基础上(即不增添枝节或增加天线剖面高度的前提下)，拓展天线的工作带宽，提升其工作性能；易于集成在无线设备上满足其更多应用需求。

Claims (5)

1.一种小型宽带PIFA天线，由平面辐射单元和接地面组成，两者通过一个短路接地结构和一个馈电结构连接，平面辐射单元和接地面所在面互相平行，其特征在于：
所述接地面在其电流流向区域沿电流流向开设有贯通接地面的槽。
2.如权利要求1所述小型宽带PIFA天线，其特征在于：所述小型宽带PIFA天线为四单元的MIMO结构，对于四单元的MIMO结构各单元均开设相同贯通接地面的槽。
3.如权利要求1所述小型宽带PIFA天线，其特征在于：所述槽为L型，其长边长度为L1，短边长度为L2，宽度为w2；辐射单元宽为w1，整体长度为La；接地面长为Lg，宽为wg；且
Figure FDA0003459552400000011
4.如权利要求1所述小型宽带PIFA天线的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、根据公式
Figure FDA0003459552400000012
其中eeff为有效介电常数，λ0为自由空间波长，L为单极子天线长度，确定PIFA辐射单元的基本结构参数：辐射单元宽为w1，整体长度为La；接地面长为Lg，宽为wg；
步骤2、利用电磁场仿真分析软件仿真设计PIFA天线；
步骤3、根据步骤2设计的PIFA天线其接地面的电流分布区域，沿接地面电流分布区域上的电流流向开设贯通接地面的槽。
5.如权利要求4所述小型宽带PIFA天线的设计方法，其特征在于：还包括一个步骤4：通过仿真软件优化步骤3所确定槽的具体尺寸。
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