1、手机PIFA天线的理论分析,夏文峰,手机天线常用三种： 1：螺旋天线，以前常用，突出一个头的外置，现在很少见。 2：PIFA天线，最常用的主流天线，NOKIA等常用。 3：单极性天线，主要在MOTO V3、V6上使用。,NOKIA3100 的PIFA手机天线实物图,常用手机天线,螺旋天线,PIFA (Planar Inverted F-shaped Antenna) 天线即平面倒F形天线，因为整个天线的形状像个倒写的英文字母F而得名。多年来，多数手机天线都一直沿用这种传统的PIFA天线设计方案。目前，市场上可以看到的手机内置天线，其中有60%80%都是采用这种天线设计的。PIFA天线的基本结构
2、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引脚，分别用于接地和馈电。其具有尺寸小、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。下图为一个工作于GSM 900和DCS 1800频段的双频PIFA天线实物。当实际工作时，天线安装在手机上，手机主板的地面作为天线的参考地。,双频手机PIFA天线实物图,PIFA天线,PIFA天线的结构,PIFA天线的基本结构包括四个部分：接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线，其典型的结构如下图所示。其中，接地平面可以作为反射面，辐射单元是
3、与接地平面平行的金属片，短路金属片用于连接辐射单元和接地平面，同轴馈线用于信号传输。,PIFA天线典型基本结构,PIFA天线的由来,一方面，可以将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。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，从而增大天线带宽。这样就形成了PIFA天线。,PIFA天线,IFA天线,另一方面，也可以将PIFA天线视为一个
4、具有短路连接的矩形微带天线，这种具有短路连接的矩形微带天线的实际共振模式与矩形微带天线的共振模式是一样的，它们都是共振在TM10模式。将短路金属片置于矩形辐射金属片和接地平面时，其可将矩形辐射金属片的长度减半，达到缩小天线尺寸的目的，而在短路金属片的位置TM10模式的电场是等于零的。当金属片宽度比辐射金属片窄时，天线的有效电感会增加且共振频率会低于传统的短路矩形微带天线，因此缩小短路金属片的宽度，还可以进一步缩小PIFA天线的尺寸。,矩形微带天线,PIFA天线,K.Hirasawa和M.Haseishi曾详细分析了图所示的PIFA天线模型，所分析模型的辐射金属片长度L1=L2=16d，辐射金属
5、片距离接地平面的高度H=4 d，其中d=4mm是在分析时天线模型长度和高度的变化单位。短路金属片的宽度W对谐振频率有着显著地影响，下图给出了谐振频率随着短路金属片的宽度W的变化曲线。从图中可以看出，谐振频率会随着短路金属片宽度的增大而增大。也就是说，对于相同的谐振频率来说，短路金属片越窄，辐射金属片的面积也就越小，从而通过减小短路金属片的宽度可以进一步缩小天线的尺寸。,PIFA天线的谐振频率,谐振频率和短路金属片宽度的关系,另外，改变辐射金属片的长宽比也可以改变谐振频率，下图给出了辐射金属片的长宽比（L1/L2）对谐振频率的影响，从结果中可以看出，当其它宽度都固定，只改变L1的宽度，天线的谐振
6、频率会随着L1/L2比值的增加而显著下降。,谐振频率和辐射金属片长宽比的关系,具体来说，上图所示为PIFA天线的谐振频率和辐射金属片的宽度L1、长度L2，短路金属片的宽度W以及辐射金属片的高度H密切相关。当短路金属片的宽度W和辐射金属片的宽度L1相等，即W/ L1=1时，有：当短路金属片的宽度W=0时，有：式中表示谐振波长，fr表示谐振频率，c表示光速。对于任意宽度W的短路金属片，谐振频率可以由下式计算：或者：式中：,PIFA天线的带宽,PIFA天线中对带宽起决定性作用的结构参数是辐射金属片的高度H，PIFA天线的带宽会随着辐射金属片高度H的增加而增加。下图给出了一个工作于900MHz的PIF
7、A天线在电压驻波比小于2时的相对带宽和高度H之间的关系。从该图中可以看出，随着高度H的增加，天线的相对带宽也会显著增加。但是增加H无疑会增大天线的体积，尤其对于像手机一样的手持终端设备，其对于整机的厚度有严格的限制，因此在天线设计时我们必须兼顾带宽和高度的要求。,PIFA天线相对带宽和高度H之间的关系,短路金属片的宽度W除了会影响天线的谐振频率外，也会影响天线的带宽，基于之前分析的PIFA天线模型给出了短路金属片宽度W和天线相对带宽之间的关系，如下图所示。从该图的结果中可以看出，短路金属片宽度越窄，天线的相对带宽也会越小。,PIFA天线相对带宽和高度H之间的关系,PIFA天线的电流分布,K.H
8、irasawa和M.Haeishi曾使用SNM（Spatial Network Method）法曾分析给出了基于典型基本结构的PIFA天线模型的电场和电流分布。当分析时，首先确定PIFA天线的馈点位置和谐振频率，然后通过同轴馈点引入工作频率等于天线谐振频率的正弦波激励，这样就可以观察到在PIFA天线谐振频率处的电流和电场分布，如图所示：,不同辐射金属面和短路金属面尺寸PIFA天线对应的电流分布,从电流分布图中可以看出，当L1-WL2时，辐射金属片的主要电流都流往辐射金属片长边L1的开路处。总之，随着短路金属片宽度W的逐渐减小，辐射金属片表面电流有效路径会逐渐增长，从而导致天线的谐振频率随之降低
9、。也就是之前所说的，通过减小短路金属片的宽度可以进一步缩小天线的尺寸。,结论,PIFA天线的电场分布,PIFA天线的电场分布,结论,如图所示的PIFA天线电场分布说明了辐射金属片上的电场方向是沿着z向上的，即x向、y向的电场分量Ex=Ey=0.在短路金属片位置时，z向的电场分量Ez=0.在辐射金属片的边缘时，z向的电场分量最大，x向、y向的电场分量Ex、Ey也只存在于辐射片的开路边缘位置，辐射片的开路边缘的场形成了PIFA天线的辐射。PIFA天线的这一辐射机理和矩形微带天线比较相似。另外，在Ex、Ey电场分布图中都会有一个冒尖的部分，冒尖的位置就是同轴馈源所在的位置。,PIFA天线多频工作的实
10、现,为了适应无线通信多频段工作，就需要天线实现多频段工作。对于PIFA天线实现多频段工作，我们可以通过使用双馈点或者在PIFA天线辐射金属片上采用开槽的技术来实现。使用双馈点时，调谐频率和调谐范围往往受到一定的限制，因此，在PIFA天线的实际设计中，多采用开槽的方式来实现多频工作。下图为多种开槽方案来实现双频或者多频工作，其中L型开槽和U型开槽是最常使用的，他们也是最简单的两种开槽。此处，我们就对这两种开槽方案实现双频工作进行简要的说明。,PIFA天线的多种开槽方案实现双频/多频工作,通过开槽可以改变原先的电流路径，形成两个相对独立的电流回路，从而实现PIFA天线的双频工作。在L型开槽下，长度
11、为L1、宽度为W1的矩形金属片作为辐射元1，产生低频谐振频率f1；长度为L2、宽度为W2的矩形金属片作为辐射元2，产生高频谐振频率f2.根据之前给出的公式可知：,天线封装基本描述,1. 天线结构辐射体面积550600mm，与PCB主板顶面的距离（高度） 67mm。天线与主板有两个馈电点，一个是天线模块输出，另一个是 RF地。天线的位置在手机顶部。 PIFA天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR指标，是内置天线首选方案。适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。 2. 主板天线投影区域内有完整的铺地，同时不要天线侧安排元器件，特别是马达、听筒、话筒、振荡器、排线、等较大金
12、属结构的元件和低频驱动器件。它们对天线的电性性能有很大的负面影响. 3. 天线的馈源位置和间距一般建议设计在左上方或右上方；间距在45mm之间。,PIFA天线的主要设计方式,1.支架式天线由塑胶支架和金属片（辐射体）组成。金属片与塑胶支架采用热熔方式固定。塑胶常用ABS或PC材料，金属常用铍铜、磷铜、不锈钢片。也可用FPC，但主板上要加两个PIN，这两项的成本稍高。图2.1为一种支架式PIFA的结构图。 2. 贴附式直接将金属片（辐射体）贴附在手机背壳上。固定方式一般用热熔结构。也有用背胶方式的，由于结构不很稳定，很少采用。,HFSS仿真结果展示,变量定义,天线3D整体图形,谐振频率,从结果报告可以看出，天线的谐振频率约为0.92Hz，10dB带宽约为101MHz（876MHz977MHz），即相对带宽约为11%。满足GSM900频段（880MHz 960MHz）的工作要求。,0.5GHz 1.5GHz的回波损耗11分析结果,阻抗系数图,Smith圆图显示的归一化阻抗结果报告,3D增益方向图,辐射金属片表面电流分布结果,谢谢观看！,
