一、概述

PIFA ( Planar Inverted F-shaped Antenna)天線即平面倒F形天線，因為整個天線的形狀像個倒寫的英文字母F而得名。多年來，多數手機天線都一直沿用這種傳統的PIFA天線設計方案。目前，市面上可以看到的手機內置天線，其中有60% ~ 80%都是采用這種天線設計的。PIFA 天線的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引腳，分別用于接地和饋電。下圖所示為一個工作于GSM 900和DCS 1800頻段的雙頻PIFA天線實物。當實際工作時，天線安裝在手機上，手機主板的地面作為天線的參考地。

二、PIFA天線的基本原理

1、基本結構

PIFA天線的基本結構包括四個部分:接地平面、輻射單元、短路金屬片和同軸饋線，其典型的結構如下圖所示。其中，接地平面可以作為反射面，輻射單元是與接地平面平行的金屬片，短路金屬片用于連接輻射單元和接地平面，同軸饋線用于信號傳輸。

一方面，可以將PIFA天線看做是由線性倒F天線(即IFA天線)衍變而來的。對于IFA天線，其輻射單元、接地線都是細導體線，這樣等效的射頻分布電感較大，而分布電容較小，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IFA天線的細導線用具有一定寬度的金屬片取代，這樣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。
另一方面，也可以將PIFA天線視為一個具有短路連接的矩形微帶天線，這種具有短路連接的矩形微帶天線的實際共振模式與矩形微帶天線的共振模式是一樣的，它們都是共振在TM${}_{10}$模式。將短路金屬片置于矩形輻射金屬片和接地平面時，其可將矩形輻射金屬片的長度減半，達到縮小天線尺寸的目的，而在短路金屬片的位置TM${}_{10}$模式的電場是等于零的。當短路金屬片寬度比輻射金屬片窄時，天線的有效電感會增加且共振頻率會低于傳統的短路矩形微帶天線，因此縮小短路金屬片的寬度，還可以進一步縮小PIFA天線的尺寸。

2、諧振頻率

短路金屬片的寬度W對諧振頻率有著顯著的影響，下圖給出了諧振頻率隨著短路金屬片的寬度W的變化曲線。從圖中可以看出，諧振頻率會隨著短路金屬片寬度的增大而增大。也就是說，對于相同的諧振頻率來說，短路金屬片越窄，輻射金屬片的面積也就越小，從而通過減小短路金屬片的寬度可以進一步縮小天線的尺寸。

另外，改變輻射金屬片的長寬比也可以改變諧振頻率，下圖給出了輻射金屬片的長寬比(L${}_1$/L${}_2$) 對諧振頻率的影響，從結果中可以看出，當其他寬度都固定，只改變L${}_1$的寬度，天線的諧振頻率會隨著L${}_1$/L${}_2$比值的增加而顯著下降。

具體來說，前圖所示為PIFA 天線的諧振頻率和輻射金屬片的寬度L${}_1$、長度L${}_2$，短路金屬片的寬度W以及輻射金屬片的高度H密切相關。當短路金屬片的寬度W和輻射金屬片的寬度L${}_1$相等，即W/L=1時，有:$$\frac{\lambda }{4}=H+L_2\text{?即?}{f}_r=\frac{c}{4\left(H+L_2\right)}$$
當短路金屬片的寬度W=0時，有:$$\frac{\lambda }{4}=H+L_1+L_2\text{?即?}{f}_r=\frac{c}{4\left(H+L_1+L_2\right)}$$
式中，$\lambda$表示諧振波長，$f_r$表示諧振頻率，c表示光速。
對于任意寬度W的短路金屬片，諧振頻率可以由下式計算:$$f_r=r{f}_1+(1?r)f_2{L}_1?L_2$$
或$$f_r=r^k{f}_1+\left(1?r^k\right)f_2{L}_1>L_2$$
式中$$r=\frac{W}{L_1},k=\frac{L_1}{L_2},f_1=\frac{c}{4\left(H+L_2\right)},f_2=\frac{c}{4\left(H+L_1+L_2?W\right)}$$

3、天線帶寬

PIFA天線中對帶寬起決定作用的結構參數是輻射金屬片的高度H, PIFA 天線的帶寬會隨著輻射金屬片高度H的增加而增加。下圖給出了一個工作于900MHz的PIFA天線在電壓駐波比小于2 (VSWR<2) 時的相對帶寬和高度H之間的關系。從圖中可以看出，隨著高度H的增加，天線的相對帶寬也會顯著增加。但是增加H無疑會增大天線的體積，尤其對于像手機一樣的手持終端設備，其對于整機的厚度有嚴格的限制，因此在天線設計時我們必須兼顧帶寬和高度的要求。

短路金屬片的寬度W除了會影響天線的諧振頻率外，也會影響天線的帶寬，基于前面所給出的的PIFA天線模型分析給出了短路金屬片寬度W和天線相對帶寬之間的關系，如下圖所示。從該圖的結果中可以看出，短路金屬片寬度越窄，天線的相對帶寬也會越小。

另外，PIFA天線接地平面的大小也會影響天線的帶寬。例如，減小接地平面的面積通常能夠加大天線的帶寬。

4、電流分布與電場分布

不同輻射金屬片和短路金屬片尺寸PIFA天線對應的電流分布如下

從如圖所示的PIFA天線電流分布中可以看出，當L${}_1$ - W<L${}_2$時，輻射金屬片的主要電流都流往輻射金屬片短邊L${}_2$的開路處，當L${}_1$-W>L${}_2$時，輻射金屬片的主要電流都流往輻射金屬片長邊L${}_1$的開路處。總之，隨著短路金屬片寬度W的逐漸減小，輻射金屬片表面電流有效路徑會逐漸增長，從而導致天線的諧振頻率隨之降低。也就是前面所說的，通過減小短路金屬片的寬度可以進一步縮小天線的尺寸。

5、多頻的實現

為了適應無線通信多頻段工作，就需要天線實現多頻段工作。對于PIFA天線實現多頻段工作，我們可以通過使用雙饋點或者在PIFA天線輻射金屬片上采用開槽的技術來實現。使用雙饋點時，調諧頻率和調諧范圍往往受到一定的限制，因此，在PIFA天線的實際設計中，多采用開槽的方式來實現多頻工作。下圖所示為多種開槽方案來實現雙頻或者多頻工作，其中L形開槽和U形開槽是最常使用的，它們也是最簡單的兩種開槽。

L形開槽的PIFA天線輻射金屬片如下圖所示，通過開槽可以改變原先的電流路徑，形成兩個相對獨立的電流回路,從而實現PIFA天線的雙頻工作。在L形開槽下，長度為L${}_1$、寬度為W${}_1$的矩形金屬片作為輻射元1,產生低頻諧振頻率f${}_1$；長度為L${}_2$、寬度為W${}_2$的矩形金屬片作為輻射元2，產生高頻諧振頻率f${}_2$。可知，低頻諧振頻率f${}_1$和高頻諧振頻率f${}_2$可以分別估算為:$$\begin{array}{l}{f}_1=\frac{c}{4\left(H+L_1+W_1\right)}\\ f_2=\frac{c}{4\left(H+L_2+W_2\right)}\end{array}$$
上述公式只具有近似的指導意義，不具有嚴格的意義。在實際設計時，天線的諧振頻率會受到如下圖所示的L${}_1$、W${}_1$、L${}_2$、W${}_2$、G${}_1$、G${}_2$和 t${}_1$等多個參數的影響,我們需要通過多次調試，才能得到理想的性能。

U形開槽的PIFA天線輻射金屬片如下圖所示，同樣通過開槽可以改變原先的電流路徑，形成兩個相對獨立的電流回路，從而實現PIFA天線的雙頻工作。在U形開槽下，長度為L${}_1$、寬度為W${}_1$的矩形金屬片作為輻射元1，產生低頻諧振頻率f${}_1$；長度為L${}_2$、寬度為W${}_2$，的矩形金屬片作為輻射元2，產生高頻諧振頻率f${}_2$。低頻諧振頻率f${}_1$和高頻諧振頻率f${}_2$可以分別估算為:$$\begin{array}{l}{f}_1=\frac{c}{4\left(H+L_1+W_1\right)}\\ f_2=\frac{c}{4\left(H+L_2+W_2\right)}\end{array}$$
和L形開槽類似，上述公式也是只具有近似的指導意義，不具有嚴格的意義。在實際設計時，天線的諧振頻率會受到如下圖所示的L${}_1$、W${}_1$、L${}_2$、W${}_2$、G${}_1$、G${}_2$和 t${}_1$等多個參數的影響，我們需要通過多次調試，才能得到理想的性能。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的理论 - 平面倒F天线（PIFA）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。