手机PIFA天线分析

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。

 
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。和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天线的谐振长度从缩短为，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，则以下将总结相关结论。

（1） PIFA天线（矩形辐射体）的近似谐振频率：
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。
（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：





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。