1、第五講 手機(jī)PIFA天線分析一、 引言多年來，大多數(shù)手機(jī)天線都一直在沿用一種傳統(tǒng)的PIFA天線設(shè)計方案。目前市面上可以看到的手機(jī)內(nèi)置天線，有6080都是采用這種天線設(shè)計。所以，這一講主要介紹這種天線的輻射原理和輻射特性。二、 PIFA天線的基本結(jié)構(gòu)PIFA天線的英文全名是“Planar Inverted F-shaped Antenna”，即“平面倒F型天線”。由于整個天線的形狀像個倒寫的英文字母F，故得名。其基本結(jié)構(gòu)是采用一個平面輻射單元作為輻射體，并以一個大的地面作為反射面，輻射體上有兩個互相靠近的Pin腳，分別用于接地和作為饋點。三、 PIFA天線的由來PIFA天線最初來源于IFA天線，

2、即倒F型線天線。但是線性IFA天線是一種小尺寸天線，當(dāng)輻射單元僅采用頂部的一個金屬導(dǎo)線時輻射效果并不理想（輻射電阻小），所以根據(jù)前面我們曾介紹過的，為增大輻射電阻和提高輻射效率而采用頂部加載的技術(shù)，將頂部的輻射線用輻射平面替代，從而形成平面輻射單元。另一方面，當(dāng)接地線和饋電線僅僅為一條細(xì)線時，其等效的射頻分布電感較大，而引線上的分布電容較小，這就意味著天線具有較高的Q值和較窄的頻帶。根據(jù)電小天線Q值和帶寬的關(guān)系，增大帶寬的途徑就是降低Q值，因此將接地線和饋電線用具有一定寬度的金屬片取代可以增大分布電容和減小分布電感，從而增大天線帶寬。這樣就形成了PIFA天線。四、 PIFA天線的傳輸線近似PI

3、FA天線的傳輸線近似模型如下圖所示。在忽略接地片和饋線的分布效應(yīng)，PIFA天線等效于兩段長度分別為和的傳輸線相并聯(lián)。其中表示饋線與接地片之間的電長度，表示饋線與開路端的電長度。考慮饋線和接地片的分布參數(shù)效應(yīng)，PIFA天線的傳輸線近似模型如下圖（b）所示，其中Rs表示接地片的寄生電阻，Ls表示接地片的分布電感。和表示開路端的寄生電阻和電容。五、 PIFA天線的接地單極子近似從某種程度上，PIFA天線又類似于接地單極子天線，這是因為它也是一種放置在地面上方包含接地片的一種諧振式天線。由于接地線的作用，PIFA天線的諧振長度從縮短為，這是PIFA天線可以縮小物理尺寸的首要原理。六、 PIFA天線的微

4、帶天線近似PIFA天線在某種意義上也可以當(dāng)做微帶天線看待，這時輻射單元和接地面之間就是采用的空氣介質(zhì)填充。因此，PIFA天線中的電場主要集中在導(dǎo)體邊緣，PIFA天線輻射場是邊緣輻射場，這一點與微帶天線類似。因此采用與微帶天線類似的分析法可以對PIFA天線進(jìn)行某些特性分析。七、 有關(guān)PIFA天線的若干定性結(jié)論根據(jù)以上各種近似模型，已有不少文獻(xiàn)中對PIFA天線進(jìn)行近似分析，并得到很多有指導(dǎo)意義的結(jié)論。假設(shè)分析采用的PIFA天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示，則以下將總結(jié)相關(guān)結(jié)論。（1） PIFA天線（矩形輻射體）的近似諧振頻率： 其中c為真空光速。這個公式也表明：矩形輻射體PIFA天線長邊和寬邊之和近似等于。

5、（2） 輻射體和接地面之間的高度H對天線的工作帶寬產(chǎn)生嚴(yán)重影響，帶寬隨著H的增加而增加。PIFA天線中對帶寬起決定作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)就是H。一般手機(jī)天線中H不允許低于7mm，最好大于8mm，嚴(yán)禁低于6mm。（3） 接地片的寬度也對帶寬產(chǎn)生影響。增加接地片的寬度將增加帶寬，降低接地片的寬度將降低帶寬。（4） 改變饋點的位置可以改變輸入阻抗，因此可以通過改變饋點的位置實現(xiàn)頻率調(diào)諧。但是這種方法往往比較難于實現(xiàn)。（5） PIFA天線僅在半空間輻射，因此具有很高的前后比（6-8dB），比外置天線有較好的SAR值。八、 接地面（PCB）尺寸對天線性能的影響許多文獻(xiàn)表明，PIFA天線接地面的大小會影響天線的帶

6、寬。最優(yōu)接地面尺寸受PIFA天線輻射體尺寸的影響。在手機(jī)設(shè)計中，GSM頻段最優(yōu)接地面的大小大致為40120mm，DCS頻段最優(yōu)接地面大小大致為4080mm，CDMA頻段最優(yōu)接地面尺寸大致為40130mm。如接地面的尺寸稍稍偏離最優(yōu)尺寸，則會使帶寬略有下降。手機(jī)板因受用戶使用要求的限制，PCB長度和接地面尺寸多在90-105mm附近，其中也已經(jīng)綜合考慮了PCB對天線性能的影響因素。九、 短路片和基地片之間的位置關(guān)系對天線性能的影響短路片和接地片結(jié)合在一起可以看做雙線傳輸線。忽略其分布電阻和電導(dǎo)，其分布電感和分布電容可以表示為：式中h為輻射單元和接地面之間的高度，d為接地片和饋電線中心的距離；2a

7、為接地線和饋線的寬度。從上面兩式可以得出以下結(jié)論：（1） 增加短路片和饋線的間距，L將增大，C將減小；（2） 增加輻射單元和地面之間的高度，L和C都將增加；（3） 依賴于L和C的最終結(jié)果，電抗可能為容性或感性；（4） 如果最后獲得的電抗呈感性，天線的諧振頻率將降低；如果最后獲得的電抗呈容性，則最后的諧振頻率將增加。十、 多頻段工作的實現(xiàn)為適應(yīng)手機(jī)多頻段工作，需要內(nèi)置天線實現(xiàn)多頻段工作。PIFA天線實現(xiàn)多頻段工作，可以通過使用雙饋點，或通過在PIFA天線上采用開槽的技術(shù)來實現(xiàn)。使用雙饋點時調(diào)諧頻率調(diào)諧范圍往往受到一定的限制，因此實際手機(jī)中的多頻段多采用開槽的方式實現(xiàn)多頻工作。此處我們以PIFA天

8、線中通常使用的兩種開槽：L型開槽和U型開槽為例進(jìn)行分析。（1） L型開槽PIFA天線L型開槽的PIFA天線輻射單元如下圖所示：通過開槽，在高頻和低頻下，PIFA天線可以形成兩個相對獨立的電流回路，這就是開槽的PIFA天線實現(xiàn)雙頻工作的基本原理。在L型開槽下，較低工作頻段的諧振頻率大致可以表示為：說明 上述公式只具有近似的指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。比如手機(jī)實際設(shè)計的預(yù)留尺寸不能根據(jù)上式不能嚴(yán)格計算出就是諧振在880-960MHz之間。而較高的工作頻率由于受多個因素的控制，因此不能用封閉公式表示。影響較高的諧振頻率的因素主要有：G1：L1和L2之間的縫寬；G2：輻射單元中間的縫寬；G3：輻射單元中間的縫隙長度；L2：開路端邊緣的長度。下表提供了以上的幾種參數(shù)對L型開槽的PIFA天線性能的影響。（2） U型開槽PIFA天線U型開槽的PIFA天線如下圖所示。在這種開槽方式下，較低的諧振頻率與L型開槽類似，但較高諧振頻率