PIFA天线原理

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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。2PIFA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

3、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50Ω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

4、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1IFA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

5、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

6、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2.2.2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

7、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)、(

8、c)所b=λ2示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度，故两开路端的垂直电场分量反相，该