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手机 PIFA 天线的辐射原理和辐射特性 一、 引言 多年来，大多数手机天线都一直在沿用一种传统的 PIFA 天线设计方案。目前市面 上可以看到的手机内置天线，有 60 －80 ％都是采用这种天线设计。所以，这一讲主要 介绍这种天线的辐射原理和辐射特性。 二、 PIFA 天线的基本结构 PIFA 天线的英文全名是“Planar Inverted F-shaped Antenna ”，即“平面倒F 型天线”。 由于整个天线的形状像个倒写的英文字母 F ，故得名。其基本结构是采用一个平面辐 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 Pin 脚，分别用于接地和作为馈点。 三、 PIFA 天线的由来 PIFA 天线最初来源于 IFA 天线，即倒 F 型线天线。但是线性 IFA 天线是一种小尺 寸天线，当辐射单元仅采用顶部的一个金属导线时辐射效果并不理想（辐射电阻小）， 所以根据前面我们曾介绍过的，为增大辐射电阻和提高辐射效率而采用顶部加载的技 术，将顶部的辐射线用辐射平面替代，从而形成平面辐射单元。 另一方面，当接地线和馈电线仅仅为一条细线时，其等效的射频分布电感较大， 而引线上的分布电容较小，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，因此将接地线和馈电线用 具有一定宽度的金属片取代可以增大分布电容和减小分布电感，从而增大天线带宽。 这样就形成了 PIFA 天线。 四、 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（b ）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。RL 和CC 表示开路 端的寄生电阻和电容。 五、 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。 六、 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的空气介质填充。 r 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分析法可以对 PIFA 天线进行某 些特性分析。 七、 有关 PIFA 天线的若干定性结论 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 天线结构参数如下图所示，则以下将总结 相关结论。 （1） PIFA 天线（矩形辐射体）的近似谐振频率： c f 0 其中 c 为真空光速。 4（l l ） 1 2 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 。 （2 ） 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 。 （3 ） 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。 （4 ） 改变馈点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改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。 （5 ） 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。 八、 接地面（PCB ）尺寸对天