手機(jī)PIFA天線分析

1、手機(jī)pifa天線分析（適合初級射頻工程師）一、 引言多年來，大多數(shù)手機(jī)天線都一直在沿用一種傳統(tǒng)的pifa天線設(shè)計方案。目前市面上可以看到的手機(jī)內(nèi)置天線，有6080都是采用這種天線設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。三、 pifa天線的由來pifa天線最初來源

2、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(dāng)輻射單元僅采用頂部的一個金屬導(dǎo)線時輻射效果并不理想（輻射電阻小），所以根據(jù)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(shù)，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(dāng)接地線和饋電線僅僅為一條細(xì)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(jù)電小天線q值和帶寬的關(guān)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

3、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(yīng)，pifa天線等效于兩段長度分別為和的傳輸線相并聯(lián)。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?？紤]饋線和接地片的分布參數(shù)效應(yīng)，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?yàn)樗彩且环N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、 p

4、ifa天線的微帶天線近似pifa天線在某種意義上也可以當(dāng)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(zhì)填充。因此，pifa天線中的電場主要集中在導(dǎo)體邊緣，pifa天線輻射場是邊緣輻射場，這一點(diǎn)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(jìn)行某些特性分析。七、 有關(guān)pifa天線的若干定性結(jié)論根據(jù)以上各種近似模型，已有不少文獻(xiàn)中對pifa天線進(jìn)行近似分析，并得到很多有指導(dǎo)意義的結(jié)論。假設(shè)分析采用的pifa天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示，則以下將總結(jié)相關(guān)結(jié)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

5、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(chǎn)生嚴(yán)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(jié)構(gòu)參數(shù)就是h。一般手機(jī)天線中h不允許低于7mm，最好大于8mm，嚴(yán)禁低于6mm。（3） 接地片的寬度也對帶寬產(chǎn)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(diǎn)的位置可以改變輸入阻抗，因此可以通過改變饋點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。但是這種方法往往比較難于實(shí)現(xiàn)。（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(xiàn)表明，pifa天線接地面的大小

6、會影響天線的帶寬。最優(yōu)接地面尺寸受pifa天線輻射體尺寸的影響。在手機(jī)設(shè)計中，gsm頻段最優(yōu)接地面的大小大致為40×120mm，dcs頻段最優(yōu)接地面大小大致為40×80mm，cdma頻段最優(yōu)接地面尺寸大致為40×130mm。如接地面的尺寸稍稍偏離最優(yōu)尺寸，則會使帶寬略有下降。手機(jī)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(jīng)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(guān)系對天線性能的影響短路片和接地片結(jié)合在一起可以看做雙線傳輸線。忽略其分布電阻和電導(dǎo)，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

7、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(jié)論：（1） 增加短路片和饋線的間距，l將增大，c將減?。唬?） 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(jié)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(shí)現(xiàn)為適應(yīng)手機(jī)多頻段工作，需要內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作。pifa天線實(shí)現(xiàn)多頻段工作，可以通過使用雙饋點(diǎn)，或通過在pifa天線上采用開槽的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。使用雙饋點(diǎn)時調(diào)諧頻率調(diào)諧范圍往往受到一定的限制，因此實(shí)際手機(jī)中的多頻段

8、多采用開槽的方式實(shí)現(xiàn)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(jìn)行分析。（1） l型開槽pifa天線l型開槽的pifa天線輻射單元如下圖所示：通過開槽，在高頻和低頻下，pifa天線可以形成兩個相對獨(dú)立的電流回路，這就是開槽的pifa天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作的基本原理。在l型開槽下，較低工作頻段的諧振頻率大致可以表示為：說明 上述公式只具有近似的指導(dǎo)意義，不具有嚴(yán)格的意義。比如手機(jī)實(shí)際設(shè)計的預(yù)留尺寸不能根據(jù)上式不能嚴(yán)格計算出就是諧振在880-960mhz之間。而較高的工作頻率由于受多個因素的控制，因此不能用封閉公式表示。影響較高的諧振頻率的因素主要有：g1：l1和l2之

9、間的縫寬；g2：輻射單元中間的縫寬；g3：輻射單元中間的縫隙長度；l2：開路端邊緣的長度。下表提供了以上的幾種參數(shù)對l型開槽的pifa天線性能的影響。（2） u型開槽pifa天線u型開槽的pifa天線如下圖所示。在這種開槽方式下，較低的諧振頻率與l型開槽類似，但較高諧振頻率可以表示為以下的封閉公式：而影響諧振頻率和阻抗帶寬最關(guān)鍵的因素是：w：輻射單元的寬度；l：輻射單元的長度；w2：內(nèi)部輻射單元的寬度；l2：內(nèi)部輻射單元的長度；下表給出了以上參數(shù)對u型開槽的pifa天線性能的影響。以上給出的這些定性參數(shù)對實(shí)際工作具有一定的指導(dǎo)意義。手機(jī)天線類型比較和結(jié)構(gòu)射頻規(guī)則一、 各種手機(jī)內(nèi)置天線的特點(diǎn)和演

10、變過程在常見的手機(jī)天線結(jié)構(gòu)中，陶瓷介質(zhì)天線由于q值很高，帶寬窄，損耗大，并且易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移，因此不推薦作為手機(jī)主天線使用，但由于其尺寸小的優(yōu)勢，可以用作對接收靈敏度要求不高的藍(lán)牙天線。pcb板天線也一般僅僅是通過將外置單極子天線通過pcb過孔和pcb走線將輻射體做在pcb板上，并利用介質(zhì)板的介電常數(shù)在一定程度上減小天線尺寸的形式，這種天線也由于介質(zhì)板的損耗常數(shù)而產(chǎn)生一定的損耗，所以在大多數(shù)高端機(jī)情況下也不推薦使用，僅在少數(shù)低端機(jī)和工作頻點(diǎn)較少的情況下才為節(jié)約成本而使用。pcb天線可作外置天線也可作內(nèi)置天線。pifa天線自產(chǎn)生以來，一直到今天都一直是內(nèi)置天線的主要形式，因?yàn)樗叽巛^

11、小，可以充分利用pcb板作為接地面，并通過接地片將諧振長度縮小為四分之波長。但是隨著手機(jī)小型化和集成度更高的發(fā)展要求，原有pifa天線逐漸顯示出一些對結(jié)構(gòu)方面的嚴(yán)格限制。于是有不少業(yè)界領(lǐng)先的手機(jī)制造商motorola、samsung、sony-ericsson等公司逐漸改變手機(jī)天線的設(shè)計風(fēng)格，改用各種變形的單極子天線設(shè)計，這樣就減小了結(jié)構(gòu)對天線的依賴性，增加了手機(jī)外觀的靈活性。比如索愛e908的菱形天線設(shè)計，samsung e708的城墻線（meander）天線設(shè)計，以及motorola v3中使用的一個金屬銅棒作為天線的設(shè)計。這些新型的天線設(shè)計顯示了高超的設(shè)計技巧，它們往往不易被天線其他天線

12、廠家和手機(jī)廠家模仿，并逐漸發(fā)展成手機(jī)天線廠家之間和手機(jī)廠商之間競爭的一項(xiàng)核心技術(shù)。二、 pifa天線和單極子天線的性能比較前面我們已經(jīng)分別對單極子天線和pifa天線的一般特性進(jìn)行過分析，下面我們在幾種重要的特性方面比較一下兩種天線性能的優(yōu)劣。1 空間結(jié)構(gòu)要求兩種天線的設(shè)計對空間的預(yù)留都必須考慮chu極限定理，但在組成上，pifa要求必須有一個輻射單元和一個大的接地面，兩者互相平行，并且輻射體和接地面之間必須有一個不小的間距。接地面和輻射體都是物理實(shí)體，它們必須位于手機(jī)上，所以對結(jié)構(gòu)限制較大。采用pifa天線手機(jī)不可能做得很薄。而采用單極子天線進(jìn)行設(shè)計，則天線僅有一個輻射體而沒有地面，因此它對輻

13、射空間的要求就僅僅是天線輻射體周圍的空間而沒有地面的限制，天線占用的輻射空間可以不在手機(jī)體上而在手機(jī)周圍的外界空間。因此對結(jié)構(gòu)的限制較小。2 可靠性pifa天線需要兩個pin腳，而單極子天線僅僅需要一個pin腳。如果pifa天線的接地pin腳接觸不可靠，則對天線的性能會產(chǎn)生較大的影響，已經(jīng)有天線廠家提供的相關(guān)結(jié)論證實(shí)。單個觸點(diǎn)產(chǎn)生的天線問題更容易排查，因此單極子天線比pifa天線具有更高的可靠性。3 地面的尺寸對天線性能的影響對pifa天線來說，最優(yōu)的帶寬出現(xiàn)在接地面的尺寸大約為0.35，0.85和1.35處。接地面上的最小電流周期為0.5。而對單極子天線來說，則不存在最優(yōu)尺寸限制。而接地面長

14、度的變化對頻率和帶寬的影響如下表所示（資料來源于臺灣中山大學(xué)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果）：從上表可以看出，由于接地面的存在，pifa天線的工作頻率變得相當(dāng)穩(wěn)定，受外界環(huán)境因素的影響很小。這也是pifa天線在傳統(tǒng)內(nèi)置天線手機(jī)中備受青睞的一個重要原因。4 sar值比較采用pifa天線作為內(nèi)置天線設(shè)計，由于能量只在手機(jī)外側(cè)半空間輻射，并有較高的前后比，因此具有較好的sar值。而采用單極子變形天線，能量在全空間輻射，因此sar值高于pifa天線，但是內(nèi)置單極子天線比外置天線sar值會略好。5 設(shè)計難度pifa天線由于接地面的作用使頻率性能變得十分穩(wěn)定，因此其設(shè)計難度相對較小，任何手機(jī)天線廠家都樂于采用pifa天

15、線做設(shè)計。而內(nèi)置單極子天線受結(jié)構(gòu)件的影響較大，加上人手和使用手機(jī)的人體對它的影響都較大，在設(shè)計時需要考慮各種環(huán)境因素對它的影響，因此設(shè)計難度較大。但結(jié)合用戶的使用要求，在待機(jī)狀態(tài)、使用狀態(tài)下根據(jù)用戶通常的持機(jī)習(xí)慣結(jié)合手機(jī)的結(jié)構(gòu)將天線設(shè)計成不同狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的方向圖特性，但最終能夠滿足用戶的要求，這種天線設(shè)計方式需要很高的技巧，但也具有很強(qiáng)的市場競爭力，這類手機(jī)不易被其他廠家模仿，這也是少數(shù)領(lǐng)先的手機(jī)廠商在最新上市的殺手锏類機(jī)型中通常使用這類天線做手機(jī)設(shè)計的重要原因。索愛e908中的天線在閉蓋和翻蓋下有不同的方向性，motorola v3中用一根金屬棒即可以做設(shè)計，都顯示了很高的天線設(shè)計技巧。三

16、、 結(jié)構(gòu)射頻規(guī)則以下介紹采用pifa天線和單極子天線做內(nèi)置天線設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)規(guī)則。規(guī)則1 在設(shè)計任何種類的移動電話內(nèi)置天線時，為獲得盡可能好的性能，和天線制造商應(yīng)在最初階段以來開始設(shè)計天線是很重要的，這對內(nèi)置天線廠家來說尤其重要。規(guī)則2 使用盡可能大的空間：對天線性能來說，尺寸越大越好。gsm三頻天線推薦的尺寸是20×40×8mm（pifa，pcb單側(cè)），或14×40mm（monopole，pcb雙側(cè)）。對pifa天線，輻射體和地面的高度是帶寬的主要決定因素，推薦為8mm，最低不得小于6.5mm。規(guī)則3 pcb長度對天線增益有顯著的影響，推薦雙頻pcb長度不得小于

17、80mm。當(dāng)pcb長度小于80mm時，增益顯著惡化。如做多頻段設(shè)計，pcb長度應(yīng)適當(dāng)加長。規(guī)則4 天線應(yīng)遠(yuǎn)離以下金屬物體，保持6mm以上間距，并要求以下物體有良好的接地：lcd、攝像頭、液晶屏、按鍵等的彎曲電纜、連接振蕩器或揚(yáng)聲器的導(dǎo)線、含金屬的螺絲或螺母。規(guī)則5 饋點(diǎn)和短接電路點(diǎn)接近接地片（手機(jī)pcb板）的邊緣，對彈片接觸來說，彎折點(diǎn)和pcb焊點(diǎn)的距離應(yīng)為45mm。規(guī)則6 不要屏蔽焊點(diǎn)，盡可能減少emc遮護(hù)板。規(guī)則7 發(fā)射片的邊緣盡可能靠近接地片邊緣，甚至可以超出接地片邊緣。規(guī)則8 手機(jī)所有金屬必須正確接地，避免能量損失和附加不輻射諧振，關(guān)注射頻屏蔽罩。規(guī)則9 發(fā)射片和接地片之間的空間盡可能多地填充空氣，支撐物應(yīng)盡可能少。規(guī)則10 天線推薦和避免放置的位置：避免放置位置規(guī)則11 推薦天線形狀為天線結(jié)構(gòu)附近盡量減少其他物體，保持天線為一金屬片狀結(jié)構(gòu)，盡量避免減小天線寬度。（結(jié)構(gòu)）可行但設(shè)計難度較大、性能較差的情況是天線上有較大的孔（如測試端口和攝像頭），為安裝電池或其他需要減小天線尺寸（建議電池扣放在側(cè)面，以避免影響天線形狀）。規(guī)則12 推薦焊盤大小2×3mm，間距2mm。（pcb）規(guī)則13 連接天線饋電點(diǎn)的傳輸線盡量采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（cpw）。（結(jié)構(gòu)和pcb）規(guī)則14 天線下方盡量減少元件，特別是較高的元件。天線下放置元件的