手机PIFA天线分析.docx

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手机PIFA天线分析

手机PIFA天线分析

（适合初级射频工程师）

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“PlanarInvertedF-shapedAntenna”，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。

和

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

缩短为

，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

的空气介质填充。

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：

其中c为真空光速。

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

。

（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）尺寸对天线性能的影响

许多文献表明，PIFA天线接地面的大小会影响天线的带宽。

最优接地面尺寸受PIFA天线辐射体尺寸的影响。

在手机设计中，GSM频段最优接地面的大小大致为40×120mm，DCS频段最优接地面大小大致为40×80mm，CDMA频段最优接地面尺寸大致为40×130mm。

如接地面的尺寸稍稍偏离最优尺寸，则会使带宽略有下降。

手机板因受用户使用要求的限制，PCB长度和接地面尺寸多在90-105mm附近，其中也已经综合考虑了PCB对天线性能的影响因素。

九、短路片和基地片之间的位置关系对天线性能的影响

短路片和接地片结合在一起可以看做双线传输线。

忽略其分布电阻和电导，其分布电感和分布电容可以表示为：

式中h为辐射单元和接地面之间的高度，d为接地片和馈电线中心的距离；2a为接地线和馈线的宽度。

从上面两式可以得出以下结论：

（1）增加短路片和馈线的间距，L将增大，C将减小；

（2）增加辐射单元和地面之间的高度，L和C都将增加；

（3）依赖于L和C的最终结果，电抗可能为容性或感性；

（4）如果最后获得的电抗呈感性，天线的谐振频率将降低；如果最后获得的电抗呈容性，则最后的谐振频率将增加。

一十、多频段工作的实现

为适应手机多频段工作，需要内置天线实现多频段工作。

PIFA天线实现多频段工作，可以通过使用双馈点，或通过在PIFA天线上采用开槽的技术来实现。

使用双馈点时调谐频率调谐范围往往受到一定的限制，因此实际手机中的多频段多采用开槽的方式实现多频工作。

此处我们以PIFA天线中通常使用的两种开槽：

L型开槽和U型开槽为例进行分析。

（1）L型开槽PIFA天线

L型开槽的PIFA天线辐射单元如下图所示：

通过开槽，在高频和低频下，PIFA天线可以形成两个相对独立的电流回路，这就是开槽的PIFA天线实现双频工作的基本原理。

在L型开槽下，较低工作频段的谐振频率大致可以表示为：

[说明]上述公式只具有近似的指导意义，不具有严格的意义。

比如手机实际设计的预留尺寸不能根据上式不能严格计算出就是谐振在880-960MHz之间。

而较高的工作频率由于受多个因素的控制，因此不能用封闭公式表示。

影响较高的谐振频率的因素主要有：

G1：

L1和L2之间的缝宽；

G2：

辐射单元中间的缝宽；

G3：

辐射单元中间的缝隙长度；

L2：

开路端边缘的长度。

下表提供了以上的几种参数对L型开槽的PIFA天线性能的影响。

（2）U型开槽PIFA天线

U型开槽的PIFA天线如下图所示。

在这种开槽方式下，较低的谐振频率与L型开槽类似，但较高谐振频率可以表示为以下的封闭公式：

而影响谐振频率和阻抗带宽最关键的因素是：

W：

辐射单元的宽度；

L：

辐射单元的长度；

W2：

内部辐射单元的宽度；

L2：

内部辐射单元的长度；

下表给出了以上参数对U型开槽的PIFA天线性能的影响。

以上给出的这些定性参数对实际工作具有一定的指导意义。

手机天线类型比较和结构射频规则

一、各种手机内置天线的特点和演变过程

在常见的手机天线结构中，陶瓷介质天线由于Q值很高，带宽窄，损耗大，并且易受环境的影响而产生频率漂移，因此不推荐作为手机主天线使用，但由于其尺寸小的优势，可以用作对接收灵敏度要求不高的蓝牙天线。

PCB板天线也一般仅仅是通过将外置单极子天线通过PCB过孔和PCB走线将辐射体做在PCB板上，并利用介质板的介电常数在一定程度上减小天线尺寸的形式，这种天线也由于介质板的损耗常数而产生一定的损耗，所以在大多数高端机情况下也不推荐使用，仅在少数低端机和工作频点较少的情况下才为节约成本而使用。

PCB天线可作外置天线也可作内置天线。

PIFA天线自产生以来，一直到今天都一直是内置天线的主要形式，因为它尺寸较小，可以充分利用PCB板作为接地面，并通过接地片将谐振长度缩小为四分之波长。

但是随着手机小型化和集成度更高的发展要求，原有PIFA天线逐渐显示出一些对结构方面的严格限制。

于是有不少业界领先的手机制造商Motorola、Samsung、Sony-Ericsson等公司逐渐改变手机天线的设计风格，改用各种变形的单极子天线设计，这样就减小了结构对天线的依赖性，增加了手机外观的灵活性。

比如索爱E908的菱形天线设计，SamsungE708的城墙线（Meander）天线设计，以及MotorolaV3中使用的一个金属铜棒作为天线的设计。

这些新型的天线设计显示了高超的设计技巧，它们往往不易被天线其他天线厂家和手机厂家模仿，并逐渐发展成手机天线厂家之间和手机厂商之间竞争的一项核心技术。

二、PIFA天线和单极子天线的性能比较

前面我们已经分别对单极子天线和PIFA天线的一般特性进行过分析，下面我们在几种重要的特性方面比较一下两种天线性能的优劣。

1．空间结构要求

两种天线的设计对空间的预留都必须考虑Chu极限定理，但在组成上，PIFA要求必须有一个辐射单元和一个大的接地面，两者互相平行，并且辐射体和接地面之间必须有一个不小的间距。

接地面和辐射体都是物理实体，它们必须位于手机上，所以对结构限制较大。

采用PIFA天线手机不可能做得很薄。

而采用单极子天线进行设计，则天线仅有一个辐射体而没有地面，因此它对辐射空间的要求就仅仅是天线辐射体周围的空间而没有地面的限制，天线占用的辐射空间可以不在手机体上而在手机周围的外界空间。

因此对结构的限制较小。

2．可靠性

PIFA天线需要两个Pin脚，而单极子天线仅仅需要一个Pin脚。

如果PIFA天线的接地Pin脚接触不可靠，则对天线的性能会产生较大的影响，已经有天线厂家提供的相关结论证实。

单个触点产生的天线问题更容易排查，因此单极子天线比PIFA天线具有更高的可靠性。

3．地面的尺寸对天线性能的影响

对PIFA天线来说，最优的带宽出现在接地面的尺寸大约为0.35

，0.85

和1.35

处。

接地面上的最小电流周期为0.5

。

而对单极子天线来说，则不存在最优尺寸限制。

而接地面长度的变化对频率和带宽的影响如下表所示（资料来源于台湾中山大学相关仿真实验结果）：

从上表可以看出，由于接地面的存在，PIFA天线的工作频率变得相当稳定，受外界环境因素的影响很小。

这也是PIFA天线在传统内置天线手机中备受青睐的一个重要原因。

4．SAR值比较

采用PIFA天线作为内置天线设计，由于能量只在手机外侧半空间辐射，并有较高的前后比，因此具有较好的SAR值。

而采用单极子变形天线，能量在全空间辐射，因此SAR值高于PIFA天线，但是内置单极子天线比外置天线SAR值会略好。

5．设计难度

PIFA天线由于接地面的作用使频率性能变得十分稳定，因此其设计难度相对较小，任何手机天线厂家都乐于采用PIFA天线做设计。

而内置单极子天线受结构件的影响较大，加上人手和使用手机的人体对它的影响都较大，在设计时需要考虑各种环境因素对它的影响，因此设计难度较大。

但结合用户的使用要求，在待机状态、使用状态下根据用户通常的持机习惯结合手机的结构将天线设计成不同状态下呈现不同的方向图特性，但最终能够满足用户的要求，这种天线设计方式需要很高的技巧，但也具有很强的市场竞争力，这类手机不易被其他厂家模仿，这也是少数领先的手机厂商在最新上市的杀手锏类机型中通常使用这类天线做手机设计的重要原因。

索爱E908中的天线在闭盖和翻盖下有不同的方向性，MotorolaV3中用一根金属棒即可以做设计，都显示了很高的天线设计技巧。

三、结构射频规则

以下介绍采用PIFA天线和单极子天线做内置天线设计的主要结构规则。

[规则1]在设计任何种类的移动电话内置天线时，为获得尽可能好的性能，和天线制造商应在最初阶段以来开始设计天线是很重要的，这对内置天线厂家来说尤其重要。

[规则2]使用尽可能大的空间：

对天线性能来说，尺寸越大越好。

GSM三频天线推荐的尺寸是20×40×8mm（PIFA，PCB单侧），或14×40mm（Monopole，PCB双侧）。

对PIFA天线，辐射体和地面的高度是带宽的主要决定因素，推荐为8mm，最低不得小于6.5mm。

[规则3]PCB长度对天线增益有显著的影响，推荐双频PCB长度不得小于80mm。

当PCB长度小于80mm时，增益显著恶化。

如做多频段设计，PCB长度应适当加长。

[规则4]天线应远离以下金属物体，保持6mm以上间距，并要求以下物体有良好的接地：

LCD、摄像头、液晶屏、按键等的弯曲电缆、连接振荡器或扬声器的导线、含金属的螺丝或螺母。

[规则5]馈点和短接电路点接近接地片（手机PCB板）的边缘，对弹片接触来说，弯折点和PCB焊点的距离应为4－5mm。

[规则6]不要屏蔽焊点，尽可能减少EMC遮护板。

[规则7]发射片的边缘尽可能靠近接地片边缘，甚至可以超出接地片边缘。

[规则8]手机所有金属必须正确接地，避免能量损失和附加不辐射谐振，关注射频屏蔽罩。

[规则9]发射片和接地片之间的空间尽可能多地填充空气，支撑物应尽可能少。

[规则10]天线推荐和避免放置的位置：

避免放置位置

[规则11]推荐天线形状为天线结构附近尽量减少其他物体，保持天线为一金属片状结构，尽量避免减小天线宽度。

（结构）

可行但设计难度较大、性能较差的情况是天线上有较大的孔（如测试端口和摄像头），为安装电池或其他需要减小天线尺寸（建议电池扣放在侧面，以避免影响天线形状）。

[规则12]推荐焊盘大小2×3mm，间距2mm。

（PCB）

[规则13]连接天线馈电点的传输线尽量采用共面波导结构（CPW）。

（结构和PCB）

[规则14]天线下方尽量减少元件，特别是较高的元件。

天线下放置元件的面积最多不超过30％，最高元器件与天线的间距最少要确保为2mm。

（结构）

[规则15]不能在天线正下方放置匹配焊盘，匹配元器件应在天线馈电点附近。

（PCB）

[规则16]天线与电池的最小距离为10mm。

（结构）

[规则17]天线不应被耦合到屏蔽罩，所有接地屏蔽应与天线有6mm间隔。

（结构）

[规则18]Hinge的FlexFilmCable应与天线保持6mm距离。

（结构）

[规则19]天线塑料盖内侧和后侧使用最少的金属喷涂。

（EMC）

[规则20]避开有争议的PCB板宽，在有DCS工作的情况下，PCB宽度推荐设计为35mm或45mm，不要设计在40mm，以避免形成DCS交叉极化。