天線講座——第五講手機PIFA天線分析

2016-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

第五講手機PIFA天線分析

一、引言

多年來,大多數手機天線都一直在沿用一種傳統的PIFA天線設計方案。目前市面上可以看到的手機內置天線,有60-80%都是采用這種天線設計。所以,這一講主要介紹這種天線的輻射原理和輻射特性。

二、 PIFA天線的基本結構

PIFA天線的英文全名是“Planar Inverted F-shaped Antenna”,即“平面倒F型天線”。由于整個天線的形狀像個倒寫的英文字母F,故得名。其基本結構是采用一個平面輻射單元作為輻射體,并以一個大的地面作為反射面,輻射體上有兩個互相靠近的Pin腳,分別用于接地和作為饋點。

三、 PIFA天線的由來

PIFA天線最初來源于IFA天線,即倒F型線天線。但是線性IFA天線是一種小尺寸天線,當輻射單元僅采用頂部的一個金屬導線時輻射效果并不理想(輻射電阻小),所以根據前面我們曾介紹過的,為增大輻射電阻和提高輻射效率而采用頂部加載的技術,將頂部的輻射線用輻射平面替代,從而形成平面輻射單元。

另一方面,當接地線和饋電線僅僅為一條細線時,其等效的射頻分布電感較大,而引線上的分布電容較小,這就意味著天線具有較高的Q值和較窄的頻帶。根據電小天線Q值和帶寬的關系,增大帶寬的途徑就是降低Q值,因此將接地線和饋電線用具有一定寬度的金屬片取代可以增大分布電容和減小分布電感,從而增大天線帶寬。這樣就形成了PIFA天線。

四、 PIFA天線的傳輸線近似

PIFA天線的傳輸線近似模型如下圖所示。在忽略接地片和饋線的分布效應,PIFA天線等效于兩段長度分別為

和

的傳輸線相并聯。其中
表示饋線與接地片之間的電長度,

表示饋線與開路端的電長度。

考慮饋線和接地片的分布參數效應,PIFA天線的傳輸線近似模型如下圖(b)所示,其中Rs表示接地片的寄生電阻,Ls表示接地片的分布電感。

和

表示開路端的寄生電阻和電容。

五、 PIFA天線的接地單極子近似

從某種程度上,PIFA天線又類似于接地單極子天線,這是因為它也是一種放置在地面上方包含接地片的一種諧振式天線。由于接地線的作用,PIFA天線的諧振長度從

縮短為

,這是

PIFA天線可以縮小物理尺寸的首要原理。

六、 PIFA天線的微帶天線近似

PIFA天線在某種意義上也可以當做微帶天線看待,這時輻射單元和接地面之間就是采用

的空氣介質填充。

因此,PIFA天線中的電場主要集中在導體邊緣,PIFA天線輻射場是邊緣輻射場,這一點與微帶天線類似。因此采用與微帶天線類似的分析法可以對PIFA天線進行某些特性分析。

七、有關PIFA天線的若干定性結論

根據以上各種近似模型,已有不少文獻中對PIFA天線進行近似分析,并得到很多有指導意義的結論。假設分析采用的PIFA天線結構參數如下圖所示,則以下將總結相關結論。

(1) PIFA天線(矩形輻射體)的近似諧振頻率:

其中

c為真空光速。

這個公式也表明:矩形輻射體PIFA天線長邊和寬邊之和近似等于

。

(2) 輻射體和接地面之間的高度H對天線的工作帶寬產生嚴重影響,帶寬隨著H的增加而增加。PIFA天線中對帶寬起決定作用的結構參數就是H。一般手機天線中H不允許低于7mm,最好大于8mm,嚴禁低于6mm。

(3) 接地片的寬度也對帶寬產生影響。增加接地片的寬度將增加帶寬,降低接地片的寬度將降低帶寬。

(4) 改變饋點的位置可以改變輸入阻抗,因此可以通過改變饋點的位置實現頻率調諧。但是這種方法往往比較難于實現。

(5) PIFA天線僅在半空間輻射,因此具有很高的前后比(6-8dB),比外置天線有較好的SAR值。

八、接地面(PCB)尺寸對天線性能的影響

許多文獻表明,PIFA天線接地面的大小會影響天線的帶寬。最優接地面尺寸受PIFA天線輻射體尺寸的影響。在手機設計中,GSM頻段最優接地面的大小大致為40×120mm,DCS頻段最優接地面大小大致為40×80mm,CDMA頻段最優接地面尺寸大致為40×130mm。如接地面的尺寸稍稍偏離最優尺寸,則會使帶寬略有下降。手機板因受用戶使用要求的限制,PCB長度和接地面尺寸多在90-105mm附近,其中也已經綜合考慮了PCB對天線性能的影響因素。

九、短路片和基地片之間的位置關系對天線性能的影響

短路片和接地片結合在一起可以看做雙線傳輸線。忽略其分布電阻和電導,其分布電感和分布電容可以表示為:

式中h為輻射單元和接地面之間的高度,d為接地片和饋電線中心的距離;2a為接地線和饋線的寬度。從上面兩式可以得出以下結論:

(1) 增加短路片和饋線的間距,L將增大,C將減小;

(2) 增加輻射單元和地面之間的高度,L和C都將增加;

(3) 依賴于L和C的最終結果,電抗可能為容性或感性;

(4) 如果最后獲得的電抗呈感性,天線的諧振頻率將降低;如果最后獲得的電抗呈容性,則最后的諧振頻率將增加。

十、多頻段工作的實現

為適應手機多頻段工作,需要內置天線實現多頻段工作。PIFA天線實現多頻段工作,可以通過使用雙饋點,或通過在PIFA天線上采用開槽的技術來實現。使用雙饋點時調諧頻率調諧范圍往往受到一定的限制,因此實際手機中的多頻段多采用開槽的方式實現多頻工作。此處我們以PIFA天線中通常使用的兩種開槽:L型開槽和U型開槽為例進行分析。