本文旨在介紹平面倒F天線（PIFA）的基本知識。搬運自https://www.antenna-theory.com。英語夠用的朋友可以直接移步。感謝網站創始人Peter Joseph Bevelacqua教授的無私奉獻。

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天線設計師一直在尋找創新的方法來提高天線性能。微帶天線設計中使用的一種方法是在各個位置引入短路引腳（從貼片到接地層）。為了說明這可能有什么幫助，接下來將說明兩個實例，一是四分之一波長微帶天線，二是通過該天線引出的平面倒F天線（PIFA）。

下圖顯示了在遠端短路的四分之一波長微帶天線。
由于貼片的末端短路，因此微帶天線末端的電流不再必須為零。結果是，該天線實際上具有與半波微帶天線相同的電流-電壓分布。但是，產生輻射的邊緣場在遠端短路，因此只有最靠近傳輸線的場才輻射。（為何邊緣場產生輻射請看上篇）因此，天線增益減小，但是微帶天線保持與半波長微帶天線相同的基本特性，只不過尺寸上減小了50％。

在微帶天線的饋源處短路引腳

短路引腳也可以置于微帶天線的饋源處，如下圖所示。
你可能會認為短路引腳將短路輸出到天線的所有功率。但是，由于微帶天線是高頻設備（通常在> 1 GHz的頻率下使用），因此短路引腳實際上會在天線阻抗中引入并聯電感。上述天線的等效電路如下圖所示。天線阻抗由ZA給出，短路引腳引入的電抗等于jX。

并聯電感的影響會改變天線的諧振頻率。特別地，這兩個分量并聯將導致它們的導納（Y = 1 / Z）相加。因此，貼片的導納添加了1 /（jX）。以這種方式可以改變諧振頻率。

此外，如果短路引腳沒有一直延伸到接地平面，而是懸空了一點，則可能會變成等效電容。這引入了另一個設計參數以優化性能。

平面倒F天線（PIFA）

平面倒F天線（PIFA）越來越多地應用于手機市場。天線在四分之一波長處諧振（從而減少了手機所需的頻段），并且通常還具有良好的SAR特性。該天線形狀類似于一個倒著的F，這也是倒F天線名字的由來。平面倒F天線之所以受歡迎，是因為它剖面低且具有全向性。 下圖為PIFA的側視圖。

PS：SAR指比吸收率，表征單位時間內單位質量的物質吸收的電磁輻射能量。后續我會出一篇專門介紹SAR的文章。

由于末端有短路引腳，PIFA在四分之一波長處諧振。我們將很快看到如何精確定義諧振長度。饋源放置在開路端和短路端之間，可以通過調整該位置來控制輸入阻抗。

在PIFA中，短路引腳可以是塊板，如下圖所示：
上圖中的PIFA，其長度為L1，寬度為L2。短路針（或短路板）的寬度為W，和PIFA的邊緣對齊。饋電點在圖示的同一邊緣，距短路板的距離為D。 PIFA距地面的高度為h。 PIFA與微帶天線一樣，位于介電常數為ε的電介質的頂部。

PIFA的阻抗可以通過調整饋電點到短路引腳的距離（D）來控制。 饋電點越靠近短路引腳，阻抗越小；可以將其移離短路引腳來增加阻抗。

PIFA的諧振頻率取決于W。 如果W = L2，則短路板和貼片等寬。在這種情況下，PIFA會在以下情況下發生諧振（具有最大的輻射效率）：
??????????????????????????????????????????????????????????????等式【1】

假設W = 0，那么短路板退化為一根引腳（或假設W << L2）。這時，PIFA在以下條件下諧振：??????????????????????????????????????????????????????????????等式【2】

為什么PIFA的諧振長度取決于短路引腳的長度W？先直觀地看，考慮四分之一波長微帶天線是如何輻射的：在邊緣和短路區域之間需要四分之一波長的空間。如果W = L2，則從另一條邊到短路邊的距離就是L1，到這里就可以給出等式【1】。

W = 0呢？由于是沿邊緣的邊緣場在微帶天線中產生輻射，因此我們可以看到，從開路輻射邊緣到短路引腳的長度平均等于L1 + L2 。你可以通過測量PIFA遠端邊緣上的任何點到短路引腳之間的距離來說服自己。順時針和逆時針路徑總和為2 *（L1 + L2），因此平均而言，當單個路徑的路徑長度（L1 + L2）為四分之一波長時，就會發生諧振。因此可以給出等式【2】。

總的來說，我們可以將PIFA的諧振長度近似為其參數的函數，如下所示：

為了使事情具體一點，我們假設L1 = 0.1米（10厘米），L2 = 0.05米（5厘米），W = 0.02米（2厘米），且ε= 4。那么諧振頻率是多少？該解決方案可以在下式中找到：

請注意，上式中我們使用了一個基本的天線方程，將波長，光速和介電常數聯系起來：

PIFA天線中的電容性負載

假設我們要進一步減少PIFA天線的長度。我們能做些什么呢？在PIFA天線中我們通常使用電容性負載來達到這一目的。在這種技術中，我們在饋電點和開放邊緣之間為PIFA天線增加了電容。如下圖所示：
為什么這樣做有效呢？在上圖的饋源右側，我們有一個對地短路。就阻抗而言，一小部分波長的短路可視為對地的并聯電感。類似地，上圖中饋線左側的開路和支路可以看作是一個電容器（如果不太清楚，你可能需要查看傳輸線教程）。從饋源到短路引腳的距離，和從饋源到PIFA的開口邊緣的距離分別決定了電感和電容。 從某種意義上說，我們需要調整各自的長度，以便平衡電感和電容。

因此，如果我們縮短PIFA的長度，則會在上圖的饋電左側損失一些電容。為了補償這一點，我們添加了一個并聯電容。畢竟（從阻抗的角度來看），所有東西都保持平衡才有助于PIFA輻射。

該技術是有效的，但是要小心：使用此技術會降低輻射效率（PIFA的帶寬也會降低）。 你不能只是減小PIFA的尺寸，然后用電容代替它，并期望一切都和原來一樣：你不可能不付出代價就獲得一些東西。天線工程很重要的一點就是取舍和權衡。

現實世界中的PIFA

三星Galaxy S是一款可在美國CDMA網絡上運行的android智能手機。這意味著頻率將為850和1900 MHz，需要一個發射/接收天線和一個僅接收天線（稱為分集天線）。手機的天線已顯示在FCC報告中，如下所示：

電話具有6個天線，如上圖所示。Tx / Rx蜂窩天線在底部是藍色方框，而分集蜂窩天線在左上方。 GPS天線（1.575 GHz）位于頂部，而WIFI天線（根據FCC報告為雙頻段，工作于2.4 GHz和5 GHz）在右下角為綠色方塊。該電話還具有WiMax天線（工作于2.6 GHz），一個天線用于Tx / Rx，另一個天線作為分集（僅Rx）天線。

這些天線都是PIFA。有一個支撐電路板和觸摸屏的大接地平面，這是所有天線的接地平面。重要的是要注意，即使FCC報告將特定區域標記為天線，整個接地平面（即整個電話）仍會構成天線。也就是——如果切掉接地層，電話將無法在850 MHz的低頻段（半波長為6英寸或17厘米）輻射良好。

此外，此手機的SAR報告給出了非常低的峰值SAR值，相當于1克薄紙平均0.402 W / kg（在美國銷售手機的FCC限制為1.6 W / kg）。這是PIFA的一個有利特性：由于輻射遠離地面（朝向電話的后部），因此能量被引導遠離頭部，從而降低了SAR值。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的PIFA-平面倒F天线[搬运]的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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