PIFA
天线设计
1
引言
PIFA
天线是目前应用最为广泛的手机内½天线,尺寸小。具有重量½、剖
面½、造价便宜、机械强度½、频带½、效率高、增益高、受周围环境½响小、
对人½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½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,所以人们一般采用单极子天线。半波长的
并且其阻抗可以很容易
对称振子天线或者
λ
/ 4
的单极子天线可以调到谐振状态,
与
50
Ω
的馈线匹配,方向性系数½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½式,它具有良½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。½单极子天线高度较½时,输入阻抗呈现为阻容性,高
容抗,½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½。
单极子天线的电高度一般½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,
在提高辐射电阻时还应设法降½损
耗电阻。
将单极子折倒½成倒
L
天线。倒
L
天线剖面较½,也有着比较½的全向辐射
特性。½由于将振子折倒从而½成了对地电容分量,
其输人阻抗呈现½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½成的对地容
抗分量,
在振子弯折处加½½短路结构。该短路结构所具有的感性分量补偿振子弯
折所½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½是细导½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,
F
天线频带通常
倒
不到中心频率的百分之一。根据电小天线
Q
值和带½的关系,增大带½的途径就
是降½
Q
值,
因此将
IFA
天线的细导线用具有一定½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½于许多线½天线阻抗的并联,因此
平面型天线比线½天线的输入阻抗要½一些,
产生了½带的谐振特性,从而增大
天线带½。这样就½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½、安装难易和空气动力学½态等½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½状和馈电方式或在贴片和介质基片间加负
½½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,½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½状激励方式来实现。贴片可以是方½、矩½、圆½、椭圆½、三角
½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½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½完全封闭,电路中的不
连续处就会产生电磁辐射。½频率较½时,因为电尺寸很小,电磁泄漏小;½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½其工½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½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
b
=
λ
2
,故两开路端的垂
直电场分量反相,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½微带天线,可用两个相距
λ
2
、同相激励的缝隙天线来
等效。
缝的长度为辐射片的½度
W
≈
λ
0
2
,缝½
∆
l
≈
h
,
两缝隙在空间产生辐射½
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½度和长度方向½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½金属片
(辐射贴片) 一个接地板
、
(通常是电路板)
,
采取同½线馈电或微带馈电。另外考虑到½频、小型化等特性要求,还要有一个
½于矩½辐射贴片短边边缘处的短路金属片(相½于短路加½½)
。辐射贴片通过
短路贴片与接地板相连,
悬空而½,
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½½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½于辐射贴片与接地板之间,将½矩½辐射贴片的长度减半,实
现了微带天线的小型化。具½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½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½½电场强度是最弱的。
在中间电场最弱的½½将
辐射贴片与地板相连,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½½对天线辐射特性没有½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½微带天线其实际共振模态与矩½微带天
线的共振模态是一样的,½是共振在
TM10
基本模态。
½短路贴片的½度等于平面矩½辐射贴片的½度时,即为前面所述的“短路
面加½½”
。½½度小于辐射贴片的½度时,即为“短路壁加½½”
。加½½短路贴片,
一方面可以实现小型化,另一方面可以½整个天线的有效电感增加,谐振频率½
于传统的微带天线,拓展了微带天线在频段方面的½用范围。
这种具有短路连接的矩½微带天线的实际共振模式与矩½微带天线的共振模
式是一样的,它们½是共振在
TM10
模式。将短路金属片½于矩½辐射金属片和
接地平面时,其可将矩½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½½
TM10
模式的电场是等于零的。½金属片½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½于传统的短路矩½微带天线,因此
缩小短路金属片的½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
½馈线,其典型的结构如下图所示。其中,接地平面可以½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½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½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
地片之间的电长度,
和
的传输线相并联。其中
表示馈线与接
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,
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