CN1866619A - 一种带有lc谐振电路的pifa天线及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有LC谐振电路的PIFA天线及其实现方法，所述方法包括：确定内置天线的工作频段，进一步确定内置天线总的面积；根据手机的整体结构，确定内置天线的高度，确定两个辐射贴片的长度；由两个PIFA辐射贴片的长度和宽度确定两个辐射贴片的等效电尺寸1_open和1_short以及它们的特性阻抗Z₀，由l_open+l_short+l_LC (f)＝λ/4确定LC谐振电路的有效电长度1_LC (f)；确定谐振电路的输入阻抗Z_LC确定在天线工作频段时所需的L值，确定在天线工作频段时所需要的C值；在塑料框架上贴上带状铜箔和等效电感、电容，形成PIFA结构及等效LC谐振电路，LC谐振电路连接到PIFA结构的两个辐射贴片。

Description

一种带有LC谐振电路的PIFA天线及其实现方法

技术领域

本发明涉及手机内置天线领域，尤其涉及一种移动通信用双频段PIFA(Planar Inverted FAntenna，平面倒F形天线)的实现方法。

背景技术

随着移动通讯技术的发展，内置天线以其优良的性能越来越受到重视。目前手机系统中，大部分采用基于PIFA结构的内置天线。PIFA天线最重要的特点是能够集成在手机内部，不易折断，并且减少大脑对功率的吸收量即SAR值。

为了适应现在移动通讯的要求，人们设计了各种结构的PIFA天线。其中文献PIFA With aMeandered and Folded Patch for the Dual-Band Mobile Phone Application(IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，VOL.51，NO.9，SEPTEMBER2003)中详细描述了一种蜿蜒型PIFA天线。这种天线基于传统的PIFA天线，通过在辐射贴片上增加一些开口缝从而增加天线电长度，达到有效减小其物理尺寸的目的。这种PIFA天线虽然尺寸较小，并且可以工作在双频段，但是结构复杂，制造成本高，不易于加工和大批量生产。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，而提出的一种带有LC谐振电路的PIFA天线的实现方法，该方法克服了目前PIFA天线的结构复杂、制造成本高、不利于加工和大批量生产的缺点。

为了实现上述发明目的，本发明提出的一种带有LC谐振电路的PIFA天线的实现方法，包括：

第一步：确定内置天线的工作频段，由此确定内置天线总的面积；

第二步：根据手机的整体结构，确定内置天线的高度，并进一步确定两个辐射贴片的长度；

第三步：由两个PIFA辐射贴片的长度和宽度确定两个辐射贴片的等效电尺寸l_open和l_short以及它们的特性阻抗Z₀，根据微波传输线公式确定辐射贴片的输入阻抗Z_short和Z_open，由l_LC(f)＝λ/4-l_open-l_short确定LC谐振电路的等效电长度l_LC(f)；

第四步：由公式Z_LC(f)＝Z_short(f)-Z_open(f)确定谐振电路的输入阻抗Z_LC；

第五步：由公式 $L=\frac{-3j}{4\mathrm{\π}{f}_1}\frac{Z_{\mathrm{LC}}\left(f_2\right)Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}{2Z_{\mathrm{LC}}\left(f_2\right)-Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}$ 确定在天线工作频段时所需的L值，由公式 $C=\frac{-j}{2\mathrm{\π}{f}_1}(\frac{1}{Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}-\frac{1}{j2\mathrm{\π}{f}_{1}L})$ 确定在天线工作频段时所需要的C值；

第六步：在塑料框架上贴上带状铜箔和等效电感、电容，形成PIFA结构及等效LC谐振电路，LC谐振电路连接PIFA结构的两个辐射贴片。

采用本发明所述的方法，不仅能够将LC谐振电路应用于PIFA天线中，通过改变LC的值实现PIFA天线的双频段工作，有效减小PIFA天线的尺寸，而且LC谐振电路的选择性改善了天线的驻波特性，通过适当选择与LC谐振电路相连接的辐射贴片的长度，在保证良好驻波特性下，可以有效增加带宽；谐振电路的实现方式简单，降低了天线的制作成本。

附图说明

图1是带有LC谐振电路的PIFA天线的结构示意图；

图2是带有LC谐振电路的PIFA天线原理图；

图3本发明流程图。

具体实施方式

图1是带有LC谐振电路的PIFA天线的结构示意图，由以下几部分组成：PIFA辐射贴片、LC谐振电路、馈电系统和塑料支架。11为示意图整体；111为接地平面，即手机PCB板；112为开路辐射贴片；113为短路辐射贴片；114为等效电感；115为等效电容；116为短路针；117为馈电针。

LC谐振电路置于PIFA结构中部，连接PIFA结构的两个辐射贴片；塑料支架支撑PIFA结构，位于PIFA结构与接地平面之间；馈电系统用于给天线馈电，位于辐射贴片的边缘，垂直于接地平面；接地平面即为手机PCB板。

PIFA辐射贴片由一个短路贴片和开路贴片构成，是主要的辐射体；

LC谐振电路由一个等效电感和电容构成，在不同频段等效为不同电长度的传输线，从而选择不同的工作频段。

塑料支架用于固定天线，增加天线的稳固性。

馈电系统由短路针和开路针组成，短路针直接与接地面相接，馈电针与手机板的馈电线路相连。

图2是带有LC谐振电路的PIFA天线原理图，其中PIFA结构的两个辐射贴片由Z_open和Z_short代表，Z_r其中一个辐射贴片开路端的等效阻抗。

图3是该发明实现的流程图。

本发明所述的方法，采用传输线模型可以对带有LC谐振电路的PIFA天线进行分析。PIFA天线的两个辐射贴片可以等效成两段特征阻抗为Z₀的传输线，其电长度分别为l_open和l_short。LC谐振电路可以等效为一个与频率有关的电长度l_LC(f)。当工作频率高于LC谐振电路的谐振频率时，谐振电路成容性，有效地缩短了天线的电长度；而当频率低于谐振频率时，谐振电路成感性，增加了PIFA天线电长度。但是PIFA结构两辐射贴片长度与电长度l_LC(f)之和始终保持如下关系：

                l_open+l_short+l_LC(f)＝λ/4          (1)

由于LC谐振电路是非线性的，可以等效为正负电长度，这样就可以利用电长度l_LC(f)实现了天线电长度的伸缩，从而达到了双谐振的目的。各部分的阻抗关系如下式所示：

        Z_LC(f)＝Z_short(f)-Z_open(f)                  (2)

$L=\frac{-3j}{4\mathrm{\π}{f}_1}\frac{Z_{\mathrm{LC}}\left(f_2\right)Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}{2Z_{\mathrm{LC}}\left(f_2\right)-Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}---\left(3\right)$

$\frac{-j}{2\mathrm{\π}{f}_1}(\frac{1}{Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}-\frac{1}{j2\mathrm{\π}{f}_{1}L})---\left(4\right)$

由公式(2)确定谐振电路的输入阻抗Z_LC，由公式(3)和(4)确定在天线工作频段时所需的L和C值。

最后将轻巧坚固的塑料框架上贴上带状铜箔和等效电感、等效电容，形成PIFA结构及等效LC谐振电路，LC谐振电路连接PIFA结构的两个辐射贴片。

在PIFA天线中实现LC谐振电路的方法有三种：

1、直接采用贴片集总电感、电容元件；

直接将贴片电容、电感放置与两个辐射贴片之间，既可以作为连接作用，又可以作为LC谐振电路，贴片电容可以采用0402或0603等。

2、利用传输线等效电感、电容实现；

在射频频段，任意一段传输线均存在电感和电容特性，通过选择合适的长度、宽度和形状，可以将其等效为不同值的电容或电感，将特定尺寸的传输线跨接在两个辐射贴片之间就可形成LC谐振回路。

3、利用蜿蜒型PIFA自身的等效电感与外接的传输线等效电容实现。

将两个辐射贴片的一部分连接在一起形成一个凹形的辐射贴片，没有连接的部分将会形成一个等效电容，贴片之间连接部分的大小和它们之间的间距影响这个等效电容值的大小；而电感的形成则可以采用方法2中传输线等效方法来实现，将这个等效传输线电感跨接到两个辐射贴片之间和本身的等效电容来形成LC谐振电路。

天线主体采用PIFA结构，利用塑料支架固定，坚固耐用；辐射贴片为矩形，易于加工；利用LC谐振电路对高低频段呈现不同电抗性质的原理，等效为一段传输线，有效减小天线尺寸；LC谐振电路可以采用集总芯片电感、电容，天线整体成本低。

目前的手机内置天线工作带宽对于通讯系统要求来说过窄，本发明利用LC谐振电路较好的选择性，通过适当选择与LC相连接的辐射贴片的长度l₁和l₂，在保证良好驻波特性下，可以有效增加带宽。

Claims (6)

1、一种带有LC谐振电路的PIFA天线的实现方法，其特征在于，包括：

步骤1：确定内置天线的工作频段，由此确定内置天线总的面积；

步骤2：根据手机的整体结构，确定内置天线的高度，并进一步确定两个辐射贴片的长度；

步骤3：由两个PIFA辐射贴片的长度和宽度确定两个辐射贴片的等效电尺寸l_open和l_short以及它们的特性阻抗Z₀，根据微波传输线公式确定辐射贴片的输入阻抗Z_short和Z_open，，由l_LC(f)＝λ/4-l_open-l_short确定LC谐振电路的等效电长度l_LC(f)；

步骤4：由公式Z_LC(f)＝Z_short(f)-Z_open(f)确定谐振电路的输入阻抗Z_LC；

步骤5：由公式 $L=\frac{-3j}{4\mathrm{\π}{f}_1}\frac{Z_{\mathrm{LC}}\left(f_2\right)Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}{{2Z}_{\mathrm{LC}}\left(f_2\right)-Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}$ 确定在天线工作频段时所需的L值，由公式 $C=\frac{-j}{2\mathrm{\π}{f}_1}(\frac{1}{Z_{\mathrm{LC}}\left(f_1\right)}-\frac{1}{j2\mathrm{\π}{f}_{1}L})$ 确定在天线工作频段时所需要的C值；

步骤6：在塑料框架上贴上带状铜箔和等效电感、电容，形成PIFA结构及等效LC谐振电路，LC谐振电路连接PIFA结构的两个辐射贴片。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的工作频段可以为单频、双频或中心频率。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，直接采用贴片集总电感、电容元件实现LC谐振电路。

4、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用蜿蜒型PIFA自身的等效电感与外接的传输线等效电容实现LC谐振电路。

5、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用传输线等效电感、电容实现LC谐振电路。

6、一种采用权利要求1所述的方法实现的带有LC谐振电路的PIFA天线，其特征在于，包括：接地平面(111)，开路辐射贴片(112)，短路辐射贴片(113)，等效电感(114)，等效电容(115)，短路针(116)，馈电针(117)；

等效电感(114)和等效电容(115)构成的LC谐振电路，置于PIFA结构中部，开路辐射贴片(112)和短路辐射贴片(113)与PIFA结构相连，短路针(116)直接与接地平面(111)相接，馈电针(117)与手机板的馈电线路相连。

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