1、 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
2、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
3、一般采用单极子天线。半波长的 对称振子天线或者 /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 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
4、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
5、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
6、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 2.2.2 微带贴片天线辐射机理 微带天线的辐射是由其导体边沿和地板之间的边缘场产生的。其辐射机理 实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全
7、封闭，电路中的不 连续处就会产生电磁辐射。当频率较低时，因为电尺寸很小，电磁泄漏小；但随 着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片 状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有 效的天线。 图3 微带贴片天线辐射原理图 设辐射贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度 a 方向和厚度 h 方向 均无变化。仅沿贴片长度 b 方向有变化，其结构可见上图 2-8(a)。则辐射场可 认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的，如图2-8(b)、(c)所 示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度 2 b = ，故两开路端的垂 直电场分
8、量反相，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱） ，而水平分量的电 场是同相的。因此，远区的辐射场主要由水平分量场产生，最大辐射方向在垂直 于贴片的方向。 由此分析可见，矩形微带天线，可用两个相距 2 、同相激励的缝隙天线来等效。缝的长度为辐射片的宽度W 0 2 ,缝宽 l h ，两缝隙在空间产生辐射作 用。这是微带天线的传输线模型分析方法的解释。 如果介质基片中的电场同时沿贴片天线的宽度和长度方向都有变化，这时微 带天线可用贴片四周的缝隙的辐射来等效。 2.2.2 PIFA 天线微带演变机理 其典型结构包括一个矩形金属片 （辐射贴片） 、 一个接地板 （通常是电路板） ， 采取同轴线馈电或微带
9、馈电。另外考虑到宽频、小型化等特性要求，还要有一个 置于矩形辐射贴片短边边缘处的短路金属片（相当于短路加载） 。辐射贴片通过 短路贴片与接地板相连， 悬空而置， 这是与普通微带天线在结构上最大的不同点。 在分析时只要将悬空部分当作较厚的介质层处理即可， 只是这个介质层的材料是 空气，相对介电常数为1而已。 将短路贴片置于辐射贴片与接地板之间，将使矩形辐射贴片的长度减半，实 现了微带天线的小型化。具体实现原理可由图3表示。 图4 平面倒F天线的演变过程 标准的矩形微带天线辐射贴片上的电场分布如 a 图所示：两个开路端处的 电场强度是最强的，贴片中间位置电场强度是最弱的。在中间电场最弱的位置将 辐
10、射贴片与地板相连，做成短路结构，如图 b 所示。由于是在电场强度最弱的地 方短路，所以短路片的加载对天线辐射特性没有影响。 然后，将一半的辐射贴片去掉，由于短路片的存在，贴片短路的一端还是 电场最弱的一端，另一端是电场最强的一端。这样就成了四分之一波长贴片了。 如图c所示。 从上面的分析可知： 这种短路的矩形微带天线其实际共振模态与矩形微带天线的共振模态是一样的，都是共振在TM10基本模态。 当短路贴片的宽度等于平面矩形辐射贴片的宽度时，即为前面所述的“短路 面加载” 。当宽度小于辐射贴片的宽度时，即为“短路壁加载” 。加载短路贴片， 一方面可以实现小型化，另一方面可以使整个天线的有效电感增加
11、，谐振频率低 于传统的微带天线，拓展了微带天线在频段方面的使用范围。 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。 3 PIFA 天线结构 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
12、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。 图5 PIFA天线典型基本结构 3.1 PIFA天线的传输线近似 PIFA 天线的传输线近似模型如下图所示。在忽略接地片和馈线的分布效应， PIFA 天线等效于两段长度分别为 和 的传输线相并联。其中 表示馈线与接 地片之间的电长度， 表示馈线与开路端的电长度。 考虑馈线和接地片的分布参数效应， PIFA 天线的传输线近似模型如下图所示，其中 Rs 表示接地片的寄生电阻，Ls 表示接地片的分布电感。 L R 和 C C 表示开路 端的寄生
13、电阻和电容。 图6 传输线近似模型 3.2 PIFA 天线的接地单极子近似 从某种程度上，PIFA 天线又类似于接地单极子天线，这是因为它也是一种放 置在地面上方包含接地片的一种谐振式天线。由于接地线的作用， PIFA 天线的谐 振长度从 2 / 缩短为 4 / ，这是 PIFA 天线可以缩小物理尺寸的首要原理。 3.3 PIFA 天线的微带天线近似 PIFA 天线在某种意义上也可以当做微带天线看待，这时辐射单元和接地面之 间就是采用 1 = r 的空气介质填充。 因此，PIFA 天线中的电场主要集中在导体边缘，PIFA 天线辐射场是边缘辐射 场，这一点与微带天线类似。因此采用与微带天线类似的
14、分析法可以对 PIFA 天 线进行某些特性分析。 图7 微带天线近似模型 PIFA 天线是微带天线演变而来。 最简单的 patch 天线是一个金属片平行放置 于地平面上，用同轴线或者微带线馈电即可。其辐射主要靠边缘场。假设该天线 平行于大地放置，其形状为矩形，长边左右摆放，长边的长度为 1/4波长。如果 左边缘的场是从 patch 到地，那么右边缘刚好反向从地到将左右两个边缘的电场 分解成水平和垂直分量，你会发现垂直分量抵消，水平分量加强。这样将会产生 平行于地平面的线极化远场。就手机而言，pifa天线的主极化一般是平行于手机 主地平面。 此时，可以得到两个基本结论，1）这种天线的谐振波长为贴
15、片长边的 4 倍 （实际中请考虑介质的波长缩短效应，正比于 1/sqrt(epsilon)；2）这种天线的辐 射主要靠边缘。而边缘的场越往外倾斜，辐射越好（开放场） 。这就是为什么 PIFA 天线的高度如此重要的原因。 加一个接地片（很多加在馈电附近）后，从微观角度来看贴片上的电流将改 变流向，部分电流从右侧会流回来再回到地。这样天线的谐振频率就会降低，一 般波长会在 4 倍于贴片长边和短边之和左右（同样要考虑波长缩短效应） 。从另 一个角度来说，馈电柱与短路柱是一段双线传输线。它将变换天线的阻抗。是一 种变压器效应，它将部分容抗变换成感抗，从而使整个天线形成谐振。这段线越 长（极限是长到 1
16、/4波长）其变化效果越明显（越敏感，实际中就是天线的高度 增加） 。传输变换原理大家应该清楚。当改变馈电柱和短路柱的横向尺寸或者他 们之间的距离时，实际上你是在改变该段传输线的特征阻抗。也就相应地改变变 换公式中平方的那部分。 这就是为什么我们常说馈电电和短路的改变将比较大的改变天线的阻抗。 同时也是为什么说 PIFA 天线一般可以不要匹配电路可以优化的（事实上，加匹 配有时候会反而降低天线的传输性指标） 。 4 PIFA 天线设计 4 .1 PIFA 天线的谐振频率 根据以上各种近似模型，已有不少文献中对 PIFA 天线进行近似分析，并得到 很多有指导意义的结论。假设分析采用的 PIFA 天
17、线结构参数如下图所示，则以 下将总结相关结论。 图8 PIFA 天线（矩形辐射体）的近似谐振频率： ） （ 2 1 0 4 l l c f + =其中 c为真空光速。 这个公式也表明：矩形辐射体 PIFA 天线长边和宽边之和近似等于 4 / 。 辐射体和接地面之间的高度 H对天线的工作带宽产生严重影响，带宽随着 H 的增加而增加。 PIFA 天线中对带宽起决定作用的结构参数就是 H。一般手机天线 中 H不允许低于 7mm，最好大于 8mm，严禁低于 6mm。 接地片的宽度也对带宽产生影响。增加接地片的宽度将增加带宽，降低接地 片的宽度将降低带宽。 改变馈点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改
18、变馈点的位置实现频率 调谐。但是这种方法往往比较难于实现。 PIFA 天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比（6-8dB） ，比外置天线有 较好的 SAR值。 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
19、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。 4 .2 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，天线的谐振频率会随着L1/L2比值的增加而显著下降。 图9 谐振频率和短路金属片宽度的关系 4 .3 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
20、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： 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： 4 .4 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PIFA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
21、须兼顾带宽和高度的要求 图10 天线高度跟带宽关系 4 .5 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。 图11 PIFA天线相对带宽和高度H之间的关系 4.6 PIFA 天线的电流分布 K.Hirasawa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
22、。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： 图12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。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。 4.7 PIFA 天线的电场分布 图13 PIFA
23、天线的电场分布 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。 5 PIFA 天线宽带技术 除了增加接地板与上部辐射板之间的间隙以外，展宽PIFA天线带宽的技术还有 1 使用
24、附加金属贴片的双谐振电路技术。 2 加载高介电常数介质 3 加入贴片电阻以增加天线负载，降低Q值 4 采用斜边顶板结构，如图示，辐射带宽可达16% 图14 5 能利用的最大空间中把天线振子尽可能的做粗点，这样对天线带宽应该有所 改善 6 改动匹配电路对天线的带宽及驻波应该也能有所改善 7 修改天线的形式，改变电流的方向 6 PIFA 天线多频工作的实现 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 PI
25、FA 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。 图15 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： 图17 7 PIFA 天线手机内放置 一般认为，PIFA 天线体积大、性能好，具体要求如下： 1. PIFA 的高度应该不小于6.5mm； 2. LCM 的connector 应该布局在主板的键盘面； 3. 天线的宽度应该不小于20mm； 4. 从射频测试口到天线馈点的引线的阻抗保持在50 欧姆； 5. PIFA 天线的附近的器件应该尽量做好屏蔽； 6. 馈点的焊盘应该不小于2mm*3mm; 7. 馈点焊盘（pad）应该居顶靠边； 8. 如果测试座布局有困难，也可以放在天线区域； 9. 天线区域可适当开些定位孔。 10. 内置天线周围七毫米内不能有马达，SPEAKER，RECEIVER 等较大金属物体
