手机PIFA天线的技术精解
pifa等效电路
pifa等效电路
PIFA（Planar Inverted-F Antenna）是一种广泛应用于手机和其他无线通信设备中的天线类型。
其等效电路主要包括辐射贴片、馈电枝节、短路枝节和接地枝节等部分。
辐射贴片负责辐射电磁波，通常采用薄金属片作为材料。
馈电枝节负责将信号传输到辐射贴片上，其长度和宽度根据设计要求进行选择。
短路枝节通常采用与辐射贴片相似的金属片，其作用是将辐射贴片与接地枝节连接起来，使天线形成一个完整的谐振系统。
接地枝节则连接天线底座，通过地面实现回流，以增强天线的辐射能力。
在等效电路中，各个枝节相当于串联或并联的电感或电容元件，它们的组合使得天线在特定频率上谐振，从而有效地接收和发射无线信号。
通过调整枝节的长度、宽度和间距等参数，可以改变天线的谐振频率和阻抗匹配，以满足不同的通信需求。
PIFA等效电路是一种将实际天线结构转化为电路模型的工具，通过它可以更加深入地理解天线的电磁特性和工作原理，从而更好地进行天线设计和优化。
PIFA天线
式中λ表示谐振波长，fr表示谐振频率，c表示光速。 对于任意宽度W的短路金属片，谐振频率可以由下 式计算：
或者： 式中：
PIFA天线的带宽
PIFA天线中对带宽起决定性作用的结构参数是辐 射金属片的高度H，PIFA天线的带宽会随着辐射金 属片高度H的增加而增加。下图给出了一个工作于 900MHz的PIFA天线在电压驻波比小于2时的相对 带宽和高度H之间的关系。从该图中可以看出，随 着高度H的增加，天线的相对带宽也会显著增加。 但是增加H无疑会增大天线的体积，尤其对于像手 机一样的手持终端设备，其对于整机的厚度有严格 的限制，因此在天线设计时我们必须兼顾带宽和高 度的要求。
谐振频率和短路金属片宽度的关系
另外，改变辐射金属片的长宽比也可以改变谐振频 率，下图给出了辐射金属片的长宽比（L1/L2）对谐振 频率的影响，从结果中可以看出，当其它宽度都固定， 只改变L1的宽度，天线的谐振频率会随着L1/L2比值的 增加而显著下降。
谐振频率和辐射金属片长宽比的关系
具体来说，上图所示为PIFA天线的谐振频率和辐 射金属片的宽度L1、长度L2，短路金属片的宽度W 以及辐射金属片的高度H密切相关。当短路金属片 的宽度W和辐射金属片的宽度L1相等，即W/ L1=1时， 有：
IFA天线
PIFA天线
另一方面，也可以将PIFA天线视为一个具有短路连接的矩 形微带天线，这种具有短路连接的矩形微带天线的实际共振 模式与矩形微带天线的共振模式是一样的，它们都是共振在 TM10模式。将短路金属片置于矩形辐射金属片和接地平面时， 其可将矩形辐射金属片的长度减半，达到缩小天线尺寸的目 的，而在短路金属片的位置TM10模式的电场是等于零的。当 金属片宽度比辐射金属片窄时，天线的有效电感会增加且共 振频率会低于传统的短路矩形微带天线，因此缩小短路金属 片的宽度，还可以进一步缩小PIFA天线的尺寸。
PIFA天线原理
PIFA 天线设计1 引言PIFA 天线是目前应用最为广泛的手机内置天线，尺寸小。
具有重量轻、剖面低、造价便宜、机械强度好、频带宽、效率高、增益高、受周围环境影响小、对人体辐射伤害小、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（因为正好谐振没有电抗）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λ的单极子天线可以调到谐振状态，并且其阻抗可以很容易对称振子天线或者/4与50Ω的馈线匹配，方向性系数都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形式，它具有良好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。
当单极子天线高度较低时，输入阻抗呈现为阻容性，高容抗，低阻抗。
若提高天线的电高度，辐射电阻将增大，损耗电阻也将下降，输入电容也会降低。
手机PIFA天线原理
手机天线常用三种：1：螺旋天线，以前常用，突出一个头的外置，现在很少见。
2：PIFA天线，最常用的主流天线，NOKIA等常用3：单极性天线，主要在MOTO V3、V6上使用本文主要讲解第二种类型，PIFA天线。
PIFA天线，大家首先碰到的第一个问题就是，馈点2与地馈点怎么是短路的，注意看下图，2，3脚是短路的。
在很多人脑子中，螺旋天线和单极性天线比较好理解，就是1/4波长原理，其中一个馈点就是螺旋或者单杆，另外一极就是地了，他们的场结构非常简单，如下图，就是，可以简单等效为一个LC谐振回路，其中C特别小，一个一个的谐振回路耦合上去，最后电磁场释放到外部。
那么PIFA天线对应的模型应该是如何的，如何解释馈点与地的短路，这个对射频，尤其是天线设计者来说，是很重要的，理解了这个，他们就可以摆脱机械的操作。
说实在，现在的天线设计者，绝大部分对天线一无所知，除了几个指标，比如驻波系数比，功率等级，方向性等。
其他的就是实验，按模板不停的修改天线，直到出来效果即可，原理他们完全不懂。
PIFA天线等效图如上，由L2与C1构成一个偏向电容性的谐振，之后与L1电感谐振，这样大家就可以理解为什么馈点跟地看上去短路了一样。
说穿了，就是通过L1，L2，C1把传输线过来的能量升压到C1上，之后利用C1这个场空间把电磁场能量释放出去，所以对C1来说，必需要求上面的铜皮跟地之间有一定的高度，一般不小于7mm，最少不低于5mm。
为了提高天线频带，往往再引入C2，也就是第一个图上面的第一脚，也就是引入一个地，这样让电场有更广泛的辐射。
学员中小郭提出，为什么手机板短的信号一般不如手机板长的信号号，比如说有些手机板，之后5CM长，信号就不如11CM长的手机板天线更容易调试，这个其实可以用PIFA天线的场结构非常好的解释，因为手机板长的天线，C2范围特别宽，对应的电场波长也比较长，更容易辐射GSM 900MHz的信号出去。
此外小郭又提出，问什么PIFA天线稳定性好于单极性天线，但灵敏度低于单极性天线。
!PIFA天线的推论及计算方法
本人以为，PIFA 天线并非完全来自于微带天线的理论，它的原始创意 很可能是从波导天线的基本概念得出的。在波导天线系中，一个简单的波
具体设计。 由上文得出，天线从开路端到接地端的距离为 L=λg / 4；源距接地点（短
路面）的长度为 L1=0.17λg; 从源到开路面的距离 L2≈0.20λg；λg 为微
带电路的导波长，λg=λ/εe1/2。
a
b
c
即， a+b=λg / 4 2b+c=0.17λg a+b-c=0.20λg
由此可解出：a、b、c 的尺寸。 而对于计算介电常数在 2 和 6 之间的基片上 t≠0 的微带线的特性阻抗，文 献[5]顾其诤等著《微波集成电路设计》中的 P13 有一个经验公式：εe=0.475 εr+0.67，详见文献[5]。
1． 对于 PIFA 天线的设计，这种文章却很少，国内相关的书也极少。有 的讲，从源到开路端的长度是 1/4λg 的导波长。
2． 但短路线的设计尺寸却没有讲。 3． 对于天线的方向图，更是没有一点讲有关天线设计与图之间和对应关
系。 4． 还有就是它的基本理论出处
针对以上四个问题，本人认为国内对 PIFA 天线的认识是有限的，而我 们要认识 PIFA 天线，一般可以从工程设计上入手。但更为重要的是了解国 外设计师研发 PIFA 天线的思路，即他们是因何提出 PIFA 天线的？他们的 原始创意是从何而来？对此本人提出自己的一点看法。 1． PIFA 天线的创意及其理论基础
平面等角螺旋天线及巴伦的设计
平面等角螺旋天线及巴伦的设计随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和设计受到了广泛。
其中，平面等角螺旋天线（Planar Inverted-F Antenna，简称PIFA）以及巴伦（Balun）是两种常用的天线和平衡转换器设计。
本文将介绍这两种天线的特点、设计原理和参数，旨在帮助读者深入了解其优势和应用场景。
平面等角螺旋天线是一种常见的宽带天线，具有体积小、易共形、易集成等优点。
它由一个平面的辐射元和一个螺旋状的地面构成，通过调整辐射元和地面的尺寸以及螺旋的匝数，可以实现在宽频带内的良好辐射性能。
平面等角螺旋天线的辐射原理主要依赖于螺旋的电流分布。
当高频电流在螺旋上流动时，会产生一个向外扩散的磁场，从而形成辐射。
由于螺旋的等角特性，电流在整个螺旋上均匀分布，使得天线在宽频带内具有稳定的辐射方向图和阻抗特性。
平面等角螺旋天线的特点在于其宽频带性能和易共形性。
通过改变螺旋的匝数和辐射元的尺寸，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持稳定的阻抗特性和辐射方向图。
在设计时，需要考虑的主要参数包括辐射元的尺寸、螺旋的匝数、介质基板的厚度和相对介电常数等。
巴伦是一种用于将不平衡的信号转换为平衡的信号，或反之亦然的平衡转换器。
在天线设计中，巴伦被广泛应用于将天线的不平衡信号转换为平衡信号，以实现更好的辐射性能。
下面以常见的威尔金森巴伦为例，介绍其设计原理和特点。
威尔金森巴伦是一种经典的巴伦设计，它利用两个对称的线绕线圈来实现不平衡到平衡的转换。
在线绕线圈的中心连接不平衡信号源，在线绕线圈的两侧连接平衡信号端口。
通过调整线圈的匝数和半径，以及源阻抗和负载阻抗的匹配，可以实现信号的高效传输。
威尔金森巴伦的特点在于其宽带性能和高效传输。
通过调整线圈的匝数和半径，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持高效传输。
在设计时，需要考虑的主要参数包括线圈的匝数和半径、源阻抗和负载阻抗的匹配等。
平面等角螺旋天线和巴伦是两种常用的天线和平衡转换器设计，具有广泛的应用场景。
手机平面倒F型天线PIFA的模拟分析(doc 50页)
手机平面倒F型天线PIFA的模拟分析(doc 50页)部门： xxx时间： xxx整理范文，仅供参考，可下载自行编辑本科畢業設計（論文）手機平面倒F型天線（PIFA）的模擬分析學院物理與光電工程學院專業電子科學與技術年級班別 2008（2）班學號 3108009196學生姓名鄭耀華指導教師吳多龍2012年6月摘要移動通信的迅猛發展，對應用於手機的天線提出了小型化、寬頻帶、多頻段工作等要求。
而平面倒F天線(Planar Inverted-F Antenna, PIFA)因其具有體積小、重量輕、剖面低、可內置、且易於加工等突出的結果特點以及能實現寬頻帶和多頻段的特性而在手機中得到了廣泛的應用。
隨著不同用途的需求，對手機天線性能的要求越來越高，準確分析PIFA天線的物理尺寸和性能參數的關係有越來越重要的作用。
對此，本文利用Ansoft HFSS模擬軟體研究了初始設定物理尺寸下PIFA天線的各個性能指標，並分析相關參數對天線性能影響。
論文論述了天線的基本概念和參數指標，討論了手機PIFA天線的基本結構和實現多頻段的設計方法。
在瞭解軟體Ansoft HFSS的天線模擬功能和模擬流程的基礎上，對一種雙頻（GSM/DCS）PIFA天線的設計方案進行了模擬分析。
最後，討論了該天線的高度H和貼片突出的長度對天線性能的影響。
本文的工作，不僅對手機PIFA天線的工程設計提出了一種有效模型結構，而且證實了使用Ansoft HFSS模擬軟體的天線模擬功能，能夠在其它更為複雜的天線工程設計中，進行更多的方案比較並縮短設計週期，降低研製成本。
最後，根據該天線模型結構製作實物，通過測試和不斷優化，得出結果與模擬結果相一致，可作為實際應用中手機天線。
關鍵字：PIFA，手機天線，HFSS，雙頻，模擬分析AbstractWith the rapid development of mobile communication, properties of miniaturization, broadband and multi-frequency for antennas in mobile phone are demanded. And planar inverted-F antenna (PIFA) coming out during these years has been rapidly and widely adopted because it has the structural advantages of small size, light weight, low profile, internally equipped, easily fabricated and mounted on the carrier. But, with the increased demands of antenna quality for different purposes, how to analyze the physical sizes and performance parameters of mobile phone antenna will be more and more important. So, this thesis used Ansoft HFSS software to do research about various performance indicators of PIFA in the initial settings of physical sizes, and analyze the related parameters for the influence on the performance of the antenna.The thesis introduced basic concepts and parameters of antenna, and discussed the basic structure and design of multi-band about the PIFA antennas of mobile phone. Be familiar with simulation function and simulation process of Ansoft HFSS software, did simulation analysis about the design of a dual-band(GSM/DCS) PIFA antenna. Lastly, the proposed antenna is experimentally studied, and effects of the height of the antenna and the extended top-patch portion on the performance of the antenna are discussed.The work of this thesis, not only provided an effective model structure of engineering optimized design of PIFA antenna, but also confirmed that functional simulation of Ansoft HFSS software can do optimization on design in more complex antenna projects, compared to more programs, it will ensure the precision and reduce the design cost. Finally, according to the antenna structure making physical model, through the test and continuous optimization, to obtain the result is consistent with simulation results and can be used as mobile phone in practical application.Key words：PIFA, Mobile Phone Antenna, HFSS, dual frequency, Simulation analysis目錄1 绪论 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。
HFSS仿真分析手机PIFA天线
第1节未开槽的手机平面倒F天线（PIFA）图1 手机PIFA天线的三维图1.1 建立模型天线的HFSS模型如表1及表2表1 手机PIFA天线三维体模型表2 手机PIFA天线的二维面模型在HFSS中建立新的工程，在HFSS>Solution Type中选择Driven Modal。
在Modeler>Units中选择mm。
（1）创建手机电路板gnd，设置为perfect E。
（a）由工具栏选择yz平面，点击Draw Rectangle ，输入顶点位置坐标，按回车键之后，输入矩形的尺寸。
选择，点击画图的窗口，将窗口中的矩形调整到合适大小。
双击中的rectangle1，将name栏的rectangle1改为名字gnd （b）为GroundPlane设置理想导体边界。
点击HFSS>Boundaries>Assign>Perf E在理想边界设置中，将理想边界命名为PerfE_gnd（2）创建天线底座，材料的相对介电常数为3.3。
（a）点击Box，起始点位置坐标(0mm,0mm,0mm.)，长方体X,Y,Z三个方向的尺寸：dx=8mm，dy=30mm，dz=-28mm，在属性中将长方体改名chassis（如图2）。
图2 chasiss与gnd（b）将材料的相对介电常数设置为3.3。
双击chassis，进入Attribute界面，点击Material右侧的栏目选择Edit（如图3（a）），进入Self Definition界面（如图3（b）），点击Add Material进入View/Edit Material界面。
Material name设为plastic，点击确定，回到Self Definition界面，选择plastic，点击确定，回到Attribute界面，此时Material右侧栏目变为“plastic”，点击确定。
（a）(b)(c)图3 设置材料界面（3）创建Patch，设置为perfect E。
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手机PIFA天线的技术精解
手机天线从最早的大哥大外置天线开始，过渡到小型外置天线，最终形成了现代内置型天线的过程。
其中，外置天线与传统的室外单级直立天线的技术原理如出一辙，没有新技术发展的象征。
内置天线出现后，手机天线以至于天线技术领域出现了全新的技术含义，从PIFA 开始到FICA等一路狂飙的发展到今天的金属框天线，金属壳天线和集成多频开关天线等等等。
在手机天线全面进入商业实用化以来，先后出现了PIFA天线，单极子变形天线，PCB印刷天线和陶瓷介质天线。
从技术分类的角度看，后来的超宽带IFA天线，FICA天线等都是手机内置天线原型基础上的产物。
从上个世纪手机内置天线正式成为商业使用天线以来，许多专业人士开始了开发制作。
但直至今天，关于手机内置天线的基本原理和演化发展的技术要领罕见于各大科技杂志和专业的技术解析文汇。
传统的有关PIFA天线的原理性解释属于教科书式的内容，与工程实际上的应用缺乏对口的指导意义。
现在，本人就实际工程设计方面的技术解析发表一些个人的看法。
首先，PIFA天线原型是单极子天线，将单极天线折弯便出现了倒L型天线，为了增加天线阻抗的感性分量，增加了短路线，如此又出现了倒F型天线。
单极天线的辐射电阻在高度为h 时有:
其中h 为天线的有效高度，为： 振子短路线
振子
振子
当实际高度H<<λ时，h 近似为H 的一半。
β=2∏/λ.
进一步精确的公式为：
输入电阻为
辐射电阻与损耗电阻之和！
从公式1的第一项可以看出，倒L 天线的高度很低，辐射电阻将很小。
公式1的第二部分的βh 也很小，则ctg(βh)将很大，导致虚数部分呈-J 的电抗且为较大的容性电抗！
在h 太小的情况下，辐射电阻Re 太小，严重影响辐射效率，为此，短路线的加入不仅仅是抵消大的容性负载，而且提高了辐射电阻、这可以从公式1，2，3的前期推导中得到答案。
从该公式中可以看到，增加
短路线就减小了电流I 就等于提高了辐射电阻Rr.因为电流I 被分流到了GND 板。
Rr 的提高等同于提高了h 。
将h 代入公式1，ctg(βh)项将减小，就等同于减小了容抗。
这里有更加复杂的前期推导公式，这里就不再赘述！因为短路线的增加引起的天线辐射场位移电流的减小不是线性关系，但这个结论否定了增加短路线
是增加感性负载的定义。
微带天线和PIFA天线没有祖先与子孙的概念，他们同属于偶极天线到单极天线演化的范畴。
所以，这里无需讨论微带天线。
问题的关键是，在利用单极直立天线演变成PIFA天线后，我们怎样确认其辐射场和阻抗变化所对应的镜像GND的问题！
如果仅仅将PIFA天线的阻抗计算及辐射场的分布定义在折弯了的单极天线这一概念上就是对PIFA天线最大的曲解！见图A和图B
图A 空间电磁链路
图B
L
H
h
从图A看出，空间电磁链路不是仅仅在短线范围，而且伸展到了GND板的下边缘。
当L等于宽带工作的中心频率的1/4波长时，呈现了良好的阻抗特性和阻抗带宽！当减小L并使其小于工作频段中心频率1/4波长很多时，阻抗迅速崩溃，驻波将居高不下而无论你怎样改变短路线的宽度和位置以及调整天线的结构。
这是实际仿真验证多次的结果，不容置疑！
它的实际阻抗分布形式近似于这样的半锥面形式。
这是因为手机的GND是有限的，不是单极直立天线定义的无穷大地板。
从某种意义上讲，它可拓展为偶极天线的另一个辐射臂的概念！显然，这个“辐射臂”接近1/4B波长就使天线越接近谐振状态！实际阻抗的计算可以近似用下列公式：
6
虽然是个假定线性变化的阻抗加权平均的近似公式，但在工程上，尤其是在h满足与波长之间的特定关系时，公式可以简化。
这个公式在变化万千的手机内部结构上所构筑的天线体系的阻抗分析与大致的计算中计算中还是有价值的！
从公式1中可以看出，天线的输入阻抗在h太小时电抗变大，电阻也变大，在大于50Ω许多倍时，阻抗虽然呈现平滑，但驻波比也远大于1.5.所以，h要达到一定的数值量才可以使电抗变得足够的小，满足一定的带宽要求。
但同时下降的电阻会使辐射效率严重降低。
所以，通常选择一个适当的高度h，才是PIFA天线的最佳高度。
这个高度需要权衡带宽和辐射功率的取舍和平衡！
从图A和公式6可以看出，手机的GND板如果太长，会导致加权阻抗值总体变小，进阻抗的电阻值变小，直接影响辐射效率。
在此情况下，通过改变短路线的接地点，宽度，或在贴片上做功夫将得不尚失！
祝峰宇宙天地zhu
2019-04-06。