一、概述

PIFA ( Planar Inverted F-shaped Antenna)天線即平面倒F形天線，因?yàn)檎麄€(gè)天線的形狀像個(gè)倒寫(xiě)的英文字母F而得名。多年來(lái)，多數(shù)手機(jī)天線都一直沿用這種傳統(tǒng)的PIFA天線設(shè)計(jì)方案。目前，市面上可以看到的手機(jī)內(nèi)置天線，其中有60% ~ 80%都是采用這種天線設(shè)計(jì)的。PIFA 天線的基本結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)平面輻射單元作為輻射體，并以一個(gè)大的地面作為反射面，輻射體上有兩個(gè)互相靠近的引腳，分別用于接地和饋電。下圖所示為一個(gè)工作于GSM 900和DCS 1800頻段的雙頻PIFA天線實(shí)物。當(dāng)實(shí)際工作時(shí)，天線安裝在手機(jī)上，手機(jī)主板的地面作為天線的參考地。

二、PIFA天線的基本原理

1、基本結(jié)構(gòu)

PIFA天線的基本結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分:接地平面、輻射單元、短路金屬片和同軸饋線，其典型的結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中，接地平面可以作為反射面，輻射單元是與接地平面平行的金屬片，短路金屬片用于連接輻射單元和接地平面，同軸饋線用于信號(hào)傳輸。

一方面，可以將PIFA天線看做是由線性倒F天線(即IFA天線)衍變而來(lái)的。對(duì)于IFA天線，其輻射單元、接地線都是細(xì)導(dǎo)體線，這樣等效的射頻分布電感較大，而分布電容較小，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IFA天線的細(xì)導(dǎo)線用具有一定寬度的金屬片取代，這樣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。
另一方面，也可以將PIFA天線視為一個(gè)具有短路連接的矩形微帶天線，這種具有短路連接的矩形微帶天線的實(shí)際共振模式與矩形微帶天線的共振模式是一樣的，它們都是共振在TM${}_{10}$模式。將短路金屬片置于矩形輻射金屬片和接地平面時(shí)，其可將矩形輻射金屬片的長(zhǎng)度減半，達(dá)到縮小天線尺寸的目的，而在短路金屬片的位置TM${}_{10}$模式的電場(chǎng)是等于零的。當(dāng)短路金屬片寬度比輻射金屬片窄時(shí)，天線的有效電感會(huì)增加且共振頻率會(huì)低于傳統(tǒng)的短路矩形微帶天線，因此縮小短路金屬片的寬度，還可以進(jìn)一步縮小PIFA天線的尺寸。

2、諧振頻率

短路金屬片的寬度W對(duì)諧振頻率有著顯著的影響，下圖給出了諧振頻率隨著短路金屬片的寬度W的變化曲線。從圖中可以看出，諧振頻率會(huì)隨著短路金屬片寬度的增大而增大。也就是說(shuō)，對(duì)于相同的諧振頻率來(lái)說(shuō)，短路金屬片越窄，輻射金屬片的面積也就越小，從而通過(guò)減小短路金屬片的寬度可以進(jìn)一步縮小天線的尺寸。

另外，改變輻射金屬片的長(zhǎng)寬比也可以改變諧振頻率，下圖給出了輻射金屬片的長(zhǎng)寬比(L${}_1$/L${}_2$) 對(duì)諧振頻率的影響，從結(jié)果中可以看出，當(dāng)其他寬度都固定，只改變L${}_1$的寬度，天線的諧振頻率會(huì)隨著L${}_1$/L${}_2$比值的增加而顯著下降。

具體來(lái)說(shuō)，前圖所示為PIFA 天線的諧振頻率和輻射金屬片的寬度L${}_1$、長(zhǎng)度L${}_2$，短路金屬片的寬度W以及輻射金屬片的高度H密切相關(guān)。當(dāng)短路金屬片的寬度W和輻射金屬片的寬度L${}_1$相等，即W/L=1時(shí)，有:$$\frac{\lambda }{4}=H+L_2\text{?即?}{f}_r=\frac{c}{4\left(H+L_2\right)}$$
當(dāng)短路金屬片的寬度W=0時(shí)，有:$$\frac{\lambda }{4}=H+L_1+L_2\text{?即?}{f}_r=\frac{c}{4\left(H+L_1+L_2\right)}$$
式中，$\lambda$表示諧振波長(zhǎng)，$f_r$表示諧振頻率，c表示光速。
對(duì)于任意寬度W的短路金屬片，諧振頻率可以由下式計(jì)算:$$f_r=r{f}_1+(1?r)f_2{L}_1?L_2$$
或$$f_r=r^k{f}_1+\left(1?r^k\right)f_2{L}_1>L_2$$
式中$$r=\frac{W}{L_1},k=\frac{L_1}{L_2},f_1=\frac{c}{4\left(H+L_2\right)},f_2=\frac{c}{4\left(H+L_1+L_2?W\right)}$$

3、天線帶寬

PIFA天線中對(duì)帶寬起決定作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)是輻射金屬片的高度H, PIFA 天線的帶寬會(huì)隨著輻射金屬片高度H的增加而增加。下圖給出了一個(gè)工作于900MHz的PIFA天線在電壓駐波比小于2 (VSWR<2) 時(shí)的相對(duì)帶寬和高度H之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著高度H的增加，天線的相對(duì)帶寬也會(huì)顯著增加。但是增加H無(wú)疑會(huì)增大天線的體積，尤其對(duì)于像手機(jī)一樣的手持終端設(shè)備，其對(duì)于整機(jī)的厚度有嚴(yán)格的限制，因此在天線設(shè)計(jì)時(shí)我們必須兼顧帶寬和高度的要求。

短路金屬片的寬度W除了會(huì)影響天線的諧振頻率外，也會(huì)影響天線的帶寬，基于前面所給出的的PIFA天線模型分析給出了短路金屬片寬度W和天線相對(duì)帶寬之間的關(guān)系，如下圖所示。從該圖的結(jié)果中可以看出，短路金屬片寬度越窄，天線的相對(duì)帶寬也會(huì)越小。

另外，PIFA天線接地平面的大小也會(huì)影響天線的帶寬。例如，減小接地平面的面積通常能夠加大天線的帶寬。

4、電流分布與電場(chǎng)分布

不同輻射金屬片和短路金屬片尺寸PIFA天線對(duì)應(yīng)的電流分布如下

從如圖所示的PIFA天線電流分布中可以看出，當(dāng)L${}_1$ - W<L${}_2$時(shí)，輻射金屬片的主要電流都流往輻射金屬片短邊L${}_2$的開(kāi)路處，當(dāng)L${}_1$-W>L${}_2$時(shí)，輻射金屬片的主要電流都流往輻射金屬片長(zhǎng)邊L${}_1$的開(kāi)路處。總之，隨著短路金屬片寬度W的逐漸減小，輻射金屬片表面電流有效路徑會(huì)逐漸增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致天線的諧振頻率隨之降低。也就是前面所說(shuō)的，通過(guò)減小短路金屬片的寬度可以進(jìn)一步縮小天線的尺寸。

5、多頻的實(shí)現(xiàn)

為了適應(yīng)無(wú)線通信多頻段工作，就需要天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作。對(duì)于PIFA天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作，我們可以通過(guò)使用雙饋點(diǎn)或者在PIFA天線輻射金屬片上采用開(kāi)槽的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用雙饋點(diǎn)時(shí)，調(diào)諧頻率和調(diào)諧范圍往往受到一定的限制，因此，在PIFA天線的實(shí)際設(shè)計(jì)中，多采用開(kāi)槽的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻工作。下圖所示為多種開(kāi)槽方案來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻或者多頻工作，其中L形開(kāi)槽和U形開(kāi)槽是最常使用的，它們也是最簡(jiǎn)單的兩種開(kāi)槽。

L形開(kāi)槽的PIFA天線輻射金屬片如下圖所示，通過(guò)開(kāi)槽可以改變?cè)鹊碾娏髀窂?#xff0c;形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電流回路,從而實(shí)現(xiàn)PIFA天線的雙頻工作。在L形開(kāi)槽下，長(zhǎng)度為L(zhǎng)${}_1$、寬度為W${}_1$的矩形金屬片作為輻射元1,產(chǎn)生低頻諧振頻率f${}_1$；長(zhǎng)度為L(zhǎng)${}_2$、寬度為W${}_2$的矩形金屬片作為輻射元2，產(chǎn)生高頻諧振頻率f${}_2$。可知，低頻諧振頻率f${}_1$和高頻諧振頻率f${}_2$可以分別估算為:$$\begin{array}{l}{f}_1=\frac{c}{4\left(H+L_1+W_1\right)}\\ f_2=\frac{c}{4\left(H+L_2+W_2\right)}\end{array}$$
上述公式只具有近似的指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，天線的諧振頻率會(huì)受到如下圖所示的L${}_1$、W${}_1$、L${}_2$、W${}_2$、G${}_1$、G${}_2$和 t${}_1$等多個(gè)參數(shù)的影響,我們需要通過(guò)多次調(diào)試，才能得到理想的性能。

U形開(kāi)槽的PIFA天線輻射金屬片如下圖所示，同樣通過(guò)開(kāi)槽可以改變?cè)鹊碾娏髀窂?#xff0c;形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電流回路，從而實(shí)現(xiàn)PIFA天線的雙頻工作。在U形開(kāi)槽下，長(zhǎng)度為L(zhǎng)${}_1$、寬度為W${}_1$的矩形金屬片作為輻射元1，產(chǎn)生低頻諧振頻率f${}_1$；長(zhǎng)度為L(zhǎng)${}_2$、寬度為W${}_2$，的矩形金屬片作為輻射元2，產(chǎn)生高頻諧振頻率f${}_2$。低頻諧振頻率f${}_1$和高頻諧振頻率f${}_2$可以分別估算為:$$\begin{array}{l}{f}_1=\frac{c}{4\left(H+L_1+W_1\right)}\\ f_2=\frac{c}{4\left(H+L_2+W_2\right)}\end{array}$$
和L形開(kāi)槽類似，上述公式也是只具有近似的指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，天線的諧振頻率會(huì)受到如下圖所示的L${}_1$、W${}_1$、L${}_2$、W${}_2$、G${}_1$、G${}_2$和 t${}_1$等多個(gè)參數(shù)的影響，我們需要通過(guò)多次調(diào)試，才能得到理想的性能。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的理论 - 平面倒F天线（PIFA）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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