手机PIFA天线的辐射原理和辐射特性

手机 PIFA 天线的辐射原理和辐射特性 一、 引言 多年来，大多数手机天线都一直在沿用一种传统的 PIFA 天线设计方案。目前市面 上可以看到的手机内置天线，有 60－80％都是采用这种天线设计。所以，这一讲主要 介绍这种天线的辐射原理和辐射特性。 二、 PIFA 天线的基本结构 PIFA 天线的英文全名是“Planar Inverted F-shaped Antenna”，即“平面倒 F 型天线”。 由于整个天线的形状像个倒写的英文字母 F，故得名。其基本结构是采用一个平面辐 射作为辐射体，并以一个大的地面作为反射面，辐射体上有两个互相靠近的 Pin 脚，分别用于接地和作为馈点。 三、 PIFA 天线的由来 PIFA 天线最初来源于 IFA 天线，即倒 F 型线天线。但是线性 IFA 天线是一种小尺 寸天线，当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想（辐射电阻小）， 所以根据前面我们曾介绍过的，为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载的技 术，将顶部的辐射线用辐射平面替代，从而形成平面辐射单元。 另一方面，当接地线和馈电线仅仅为一条细线时，其等效的射频分布电感较大， 而引线上的分布电容较小，这就意味着天线具有较高的 Q 值和较窄的频带。根据电小 天线 Q 值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低 Q 值，因此将接地线和馈电线用 具有一定宽度的金属片取代可以增大分布电容和减小分布电感，从而增大天线带宽。 这样就形成了 PIFA 天线。 四、 PIFA 天线的传输线近似 PIFA 天线的传输线近似模型如下图所示。在忽略接地片和馈线的分布效应，PIFA 天线等效于两段长度分别为 和 的传输线相并联。其中 表示馈线与接地片之间的 电长度， 表示馈线与开路端的电长度。 考虑馈线和接地片的分布参数效应，PIFA 天线的传输线近似模型如下图（b）所 示，其中 Rs 表示接地片的寄生电阻，Ls 表示接地片的分布电感。 LR 和 CC 表示开路 端的寄生电阻和电容。 五、 PIFA 天线的接地单极子近似 从某种程度上，PIFA 天线又类似于接地单极子天线，这是因为它也是一种放置在 地面上方包含接地片的一种谐振式天线。由于接地线的作用，PIFA 天线的谐振长度从 2/ 缩短为 4/ ，这是 PIFA 天线可以缩小物理尺寸的首要原理。 六、 PIFA 天线的微带天线近似 PIFA 天线在某种意义上也可以当做微带天线看待，这时辐射单元和接地面之间就 是采用 1r 的空气介质填充。 因此，PIFA 天线中的电场主要集中在导体边缘，PIFA 天线辐射场是边缘辐射场， 这一点与微带天线类似。因此采用与微带天线类似的分析法可以对 PIFA 天线进行某 些特性分析。 七、 有关 PIFA 天线的若干定性结论 根据以上各种近似模型，已有不少文献中对 PIFA 天线进行近似分析，并得到很多 有指导意义的结论。假设分析采用的 PIFA 天线结构参数如下图所示，则以下将 相关结论。 （1） PIFA 天线（矩形辐射体）的近似谐振频率： ）（ 210 4 ll cf  其中 c 为真空光速。 这个公式也表明：矩形辐射体 PIFA 天线长边和宽边之和近似等于 4/ 。 （2） 辐射体和接地面之间的高度 H 对天线的工作带宽产生严重影响，带宽随着 H 的增加而增加。PIFA 天线中对带宽起决定作用的结构参数就是 H。一般 手机天线中 H 不允许低于 7mm，最好大于 8mm，严禁低于 6mm。 （3） 接地片的宽度也对带宽产生影响。增加接地片的宽度将增加带宽，降低接 地片的宽度将降低带宽。 （4） 改变馈点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改变馈点的位置实现频 率调谐。但是这种方法往往比较难于实现。 （5） PIFA 天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比（6-8dB），比外置天线 有较好的 SAR 值。 八、 接地面（PCB）尺寸对天线性能的影响 许多文献表明，PIFA 天线接地面的大小会影响天线的带宽。最优接地面尺寸受 PIFA 天线辐射体尺寸的影响。在手机设计中，GSM 频段最优接地面的大小大致为 40 ×120mm，DCS 频段最优接地面大小大致为 40×80mm，CDMA 频段最优接地面尺寸 大致为 40×130mm。如接地面的尺寸稍稍偏离最优尺寸，则会使带宽略有下降。手机 板因受用户使用要求的限制，PCB 长度和接地面尺寸多在 90-105mm 附近，其中也已 经综合考虑了 PCB 对天线性能的影响因素。 九、 短路片和基地片之间的位置关系对天线性能的影响 短路片和接地片结合在一起可以看做双线传输线。忽略其分布电阻和电导，其分 布电感和分布电容可以表示为： )2/(cosh)/( 1 adhL   )2/(cosh/)( 1 adhC   式中 h 为辐射单元和接地面之间的高度，d 为接地片和馈电线中心的距离；2a 为 接地线和馈线的宽度。从上面两式可以得出以下结论： （1） 增加短路片和馈线的间距，L 将增大，C 将减小； （2） 增加辐射单元和地面之间的高度，L 和 C 都将增加； （3） 依赖于 L 和 C 的最终结果，电抗可能为容性或感性； （4） 如果最后获得的电抗呈感性，天线的谐振频率将降低；如果最后获得的电 抗呈容性，则最后的谐振频率将增加。 十、 多频段工作的实现 为适应手机多频段工作，需要内置天线实现多频段工作。PIFA 天线实现多频段工 作，可以通过使用双馈点，或通过在 PIFA 天线上采用开槽的技术来实现。使用双馈 点时调谐频率调谐范围往往受到一定的限制，因此实际手机中的多频段多采用开槽的 方式实现多频工作。此处我们以 PIFA 天线中通常使用的两种开槽：L 型开槽和 U 型 开槽为例进行分析。 （1） L 型开槽 PIFA 天线 L 型开槽的 PIFA 天线辐射单元如下图所示： 通过开槽，在高频和低频下，PIFA 天线可以形成两个相对独立的电流回路，这就 是开槽的 PIFA 天线实现双频工作的基本原理。在 L 型开槽下，较低工作频段的谐振 频率大致可以表示为： [说明] 上述公式只具有近似的指导意义，不具有严格的意义。比如手机实际设计 的预留尺寸不能根据上式不能严格计算出就是谐振在 880-960MHz 之间。 而较高的工作频率由于受多个因素的控制，因此不能用封闭公式表示。影响较高 的谐振频率的因素主要有： G1：L1 和 L2 之间的缝宽； G2：辐射单元中间的缝宽； G3：辐射单元中间的缝隙长度； L2：开路端边缘的长度。 下表提供了以上的几种参数对 L 型开槽的 PIFA 天线性能的影响。 （2） U 型开槽 PIFA 天线 U 型开槽的 PIFA 天线如下图所示。 在这种开槽方式下，较低的谐振频率与 L 型开槽类似，但较高谐振频率可以表示 为以下的封闭公式： 而影响谐振频率和阻抗带宽最关键的因素是： W：辐射单元的宽度； L：辐射单元的长度； W2：内部辐射单元的宽度； L2：内部辐射单元的长度； 下表给出了以上参数对 U 型开槽的 PIFA 天线性能的影响。 以上给出的这些定性参数对实际工作具有一定的指导意义。