对称偶极子和PIFA天线的调试

之前发过一篇文章，讲了如何调试2.4Ghz对称偶极子天线。那是一个相对比较简单的天线，今天我们给大家带来的是一位射频工程师的一篇练习总结报告，对称偶极子天线和PIFA天线的调试。
 
每一位工程师都是通过不断学习，吸取知识，并通过练习和实践与所学知识相互应正，到最后的掌握，化为自己的技能。下面我们就来和这位工程师一起学习下，如何调试对称偶极子天线和PIFA天线。
 
一、实验条件

1. 天线调试环境：190x110 mm PCB 板
2. 调试天线类型：a. 对称偶极子天线 b. PIFA 天线

二、实验内容
 
1. 对称偶极子天线

1.1 定义：
两部分长度相等而中心断开并接以馈电的导线，可用作发射和接收天线，这样构成的天线叫做对称天线或偶极天线。
 
1.2 原理：
对于中心点馈电的对称振子天线，其结构可看做是一段开路传输线张开而成。根据微波传输线的知识，终端开路的平行传输线，其上电流呈驻波分布，如果两线末端张开，辐射将逐渐增强。当两线完全张开时，张开的两臂上电流方向相同，辐射明显增强，后面未张开的部分就作为天线的馈电传输线。馈电时，在对称振子两臂产生高频电流，此电流将产生辐射场。

由于对称振子的长度与波长比拟，因而振子上电流幅度和相位已不能看作处处相等，所以对称振子的辐射场显然不同于电基本振子。但是可以将对称振子分成无数小段，每一小段都可以看成电基本振子，则对称振子辐射场就是这些无数小段电基本振子辐射场的总和。
 
1.3 调试过程如下：
（1）调试天线驻波
 a. 调试天线如图 1，测试驻波图形如图 2 所示。从驻波图可知，图形分为 2 个波段， 分别对应低高频，这里调试的是 GSM900 和 GSM1800 频段。现在低频部分的驻波 ok，但数值明显偏高（3.0 以上） 。高频驻波偏左（相对于驻波最低点） ，所以应该加长高频段的天线（图 1 中2,3 部分） 。


b. 适当加长高频段后，驻波如图 4 所示。从图上看，加长 2,3 部分的长度后，对低频有影响。应剪短 1 部分的长度。
 
 c. 根据驻波变化剪短 1 部分，最后得到理想驻波。如图 6。

 
得到此时的 VSWR 和 RL：
 
（2）调试天线位置
通过实验，此偶极子天线不可放置于 PCB 板的范围之内，只可放置于板子四周位置。平行放置时如图 7 所示，L>=9MM 时，驻波深度和数值虽受到影响，但还可通过调整线长调试天线。驻波图如图 8，从图中可知，可通过适当剪短线长，使驻波达到最佳。
 
 
1.4 小结
此对称偶极子天线在应用时放置应当与 PCB板保持一定距离，特别不能放置在 PCB 板里面。
 
2. PIFA 天线
2.1 定义：平面倒 F 天线，由于整个天线的形状像个倒写的英文字母F，故得名。

2.2 原理：基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体，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。
 
2.3 调试过程如下：
（1）调试天线如图 9。
 
（2）天线放置位置如下图，测试驻波图11，从图上可看到低频驻波没有，高频驻波不行。尝试加长天线 1部分的线长，以使驻波整体向左移动，期望可得到较理想驻波图。
 
 
 
（3）图12 为 1部分加长后的天线，驻波如图13 。从图13 虽然低高频驻波图形出来，但明显驻波深度和频带宽度不够。尝试加长2部分的长度和宽度。
 
 
（4）图14 为2部分修改后的天线，图15为驻波图。经过多次修改，低频驻波图形不错，但是数值明显偏高，3.0 以上；高频带宽不足，加宽 2部分提升有限，尝试加宽 3部分。

 
 
（5）加宽 3部分如图16 所示，驻波如图 17。通过修改，整体驻波图还可以，但数值偏高。（3.0 以上）
 
 
 
最后所得 VSWR 和 RL 值如下：
 
 
2.4 小结
此 PIFA 天线应直接与 PCB 电路板焊接在一起，起耦合匹配作用。
 
三、总结和心得

1. 调试天线技巧：
一般情况下，天线馈点一端长窄的为低频线长，另一端短宽的为高频线长。当驻波频点在最低点的左边时，加长相应的频段线长；当驻波频点在右边时，剪短相应的频段线长。在此次 PIFA天线中，延长接地点可扩宽低频带宽；加宽高频线长可扩宽高频带宽。
 
2. 两种天线的优缺点：

偶极子天线的带宽较宽，PIFA 天线带宽较窄。
偶极子天线的尺寸大，PIFA 天线尺寸小。
偶极子天线受环境影响较大，PIFA 天线受环境影响较小。

 一般情况下，PIFA 天线可应用于频率覆盖多，带宽要求不高，外部环境干扰较大的产品中；偶极子天线可用于双频，带宽宽，外部干扰小的产品。