pifa天线原理新.pdf

PIFA 天线设计 1 引言 PIFA 天线是目前应用最为广泛的手机内置天线，尺寸小。具有重量轻、剖 面低、造价便宜、机械强度好、频带宽、效率高、增益高、受周围环境影响小、 对人体辐射伤害小、覆盖频率越多等一系列优点。 2 PIFA 天线由来 PIFA 的演变过程可以从技术和理论两个不同的方面考虑。从技术方面来说， 它是由单极天线演变而来；从理论方面，PIFA 可以由微带天线理论发展而来。 2.1 单极天线演变而来 先从短偶极子说起，其两臂上的电荷一正一负并成正弦变化时，也就产生了 交变电流（场），对外辐射。半波振子，上下臂各四分之一波长。上下臂的电流 大小对称流向相同（正负电荷成对），电流强度分布是从中间馈电点处向两端点 逐步由大到小。馈点处电流最大，电阻（因为正好谐振没有电抗）最小。这样的 天线为平衡天线（天线上电流上下臂平衡）。 现在去掉偶极天线的一臂，将另一臂换成无穷大地，大地对场的反射，根据 镜像原理，一正电荷将在其镜像处感应出一负电荷，此时，天线的上臂将产生一 镜像，该镜像上的电流分布完全等同于偶极天线的下臂，在这种情况下，我们称 这种天线为单极天线。对于无穷大地其辐射图等同于偶极子。如果将地逐步缩小， 将无法行程理想镜像，下面地的电流分布将发生变化。 单极子天线与对称振子天线的特性具有密切联系，实际应用中，由于单极 子天线的馈电系统比对阵振子更简单，所以人们一般采用单极子天线。半波长的 对称振子天线或者λ/ 4 的单极子天线可以调到谐振状态，并且其阻抗可以很容易 与 50 Ω的馈线匹配，方向性系数都比小的对称振子天线稍高。平面单极子 （monopole）天线是移动通信终端中常用的一种天线形式，它具有良好的阻抗特 性和辐射特性。 对单极子天线而言，其有效高度表征了其辐射的强弱。因此有效高度是单极 子天线的一个重要指标。当单极子天线高度较低时，输入阻抗呈现为阻容性，高 容抗，低阻抗。若提高天线的电高度，辐射电阻将增大，损耗电阻也将下降，输 入电容也会降低。单极子天线的电高度一般低于四分之一波长，辐射电阻也只有 几个欧姆，所以为保证达到一定的辐射效率，在提高辐射电阻时还应设法降低损 耗电阻。 将单极子折倒形成倒 L 天线。倒 L 天线剖面较低，也有着比较好的全向辐射 特性。但由于将振子折倒从而形成了对地电容分量，其输人阻抗呈现低阻值高阻 抗的特性，难以进行阻抗匹配。为了平衡倒 L 天线由于振子折倒而形成的对地容 抗分量，在振子弯折处加载短路结构。该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯 折所形成的对地容性分量，从而在不改变天线谐振频率的同时，达到变换阻抗目 的 。 图 1 IFA 的演变过程 PIFA 天线看做是由线性倒 F 天线（即 IFA）天线衍变而来的。对于 IFA 天线 而言，其辐射单元、接地线都是细导体线，这样等效的射频分布电感较大，而分 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，倒 F 天线频带通常 不到中心频率的百分之一。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 IFA 天线的细导线用具有一定宽度的金属片取代，这样可以 增大分布电容和减少分布电感，平面部分相当于许多线形天线阻抗的并联，因此 平面型天线比线形天线的输入阻抗要低一些，产生了宽带的谐振特性，从而增大 天线带宽。这样就形成了 PIFA 天线。 2.2 由微带天线演变而来 在通信、航空、航天、卫星和导弹应用中，天线的尺寸大小、重量、造价、 性能、安装难易和空气动力学形态等都受到限制，常选用微带天线。这种天线有 薄的平面结构，通过选择特定的贴片形状和馈电方式或在贴片和介质基片间加负 载以获得或调整所需的谐振频率、极化、模式、阻抗等各参量。 2.2.1 微带贴片天线结构 图2 所示为传输线馈电方式的微带天线结构，它由很薄的金属带以远小于波 长的间隔h，置于接地导电板面上而成，贴片与地板之间填充有介质基片。辐射 单元通常刻在介质基片上。 微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择 不同的贴片形状激励方式来实现。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角 形等。 图2 微带天线结构示意图 2.2