资深人士关于PIFA天线的理解与讨论

1。PIFA天线是微带天线演变而来。很多的英文资料介绍Patch Antenna，建议看看基本原理。最简单的patch天线是一个金属片平行放置于地平面上，用同轴线或者微带线馈电即可。其辐射主要靠边缘场。假设该天线平行于大地放置，其形状为矩形，长边左右摆放，长边的长度为1/4波长。如果左边缘的场是从patch到地，那么右边缘刚好反向从地到将左右两个边缘的电场分解成水平和垂直分量，你会发现垂直分量抵消，水平分量加强。这样将会产生平行于地平面的线极化远场。就手机而言，pifa天线的主极化一般是平行于手机主地平面。此时，可以得到两个基本结论，1）这种天线的谐振波长为贴片长边的4倍（实际中请考虑介质的波长缩短效应，正比于1/sqrt(epsilon)；2）这种天线的辐射主要靠边缘。而边缘的场越往外倾斜，辐射越好（开放场）。这就是为什么PIFA天线的高度如此重要的原因。 aN5w
2。加一个接地片（很多加在馈电附近）后，从微观角度来看贴片上的电流将改变流向，部分电流从右侧会流回来再回到地。这样天线的谐振频率就会降低，一般波长会在4倍于贴片长边和短边之和左右（同样要考虑波长缩短效应）。从另一个角度来说，馈电柱与短路柱是一段双线传输线。它将变换天线的阻抗。是一种变压器效应，它将部分容抗变换成感抗，从而使整个天线形成谐振。这段线越长（极限是长到1/4波长）其变化效果越明显（越敏感，实际中就是天线的高度增加）。传输变换原理大家应该清楚。当改变馈电柱和短路柱的横向尺寸或者他们之间的距离时，实际上你是在改变该段传输线的特征阻抗。也就相应地改变变换公式中平方的那部分。这就是为什么我们常说馈电电和短路的改变将比较大的改变天线的阻抗。同时也是为什么说PIFA天线一般可以不要匹配电路可以优化的（事实上，加匹配有时候会反而降低天线的传输性指标）。 IT u6m<V
3。这个问题的解释是要配上图可能会更清楚。的确有些问题是要有坚实的理论基础以及现实经验才会有比较深的理解的。建议朋友们工作时一定要扎实。以我个人经验具体做法是：实际工作中的数据要仔细分析，当发现不一样就要找为什么。这里的不一样可能是这次的结果和上次的不一样，也可以是结果与你想象的不一样，还可以是你的结果和别人的结果不一样。当你找到了为什么不一样的原因后，你就会有较深的理解，同时你就进步了。有时候要想搞清楚‘不一样’，需要很多其他的知识，你也要想办法去学习（复习），相应地也就增加了你的知识面。 . !|3a
monopole中文意思为单极子，然而其实际工作原理并不如其名字一样。 pU|SUM
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）。 Ox` +Z0)a
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。 G3&l|@5
现今的手机，体积越来越小，机体再不能看成是大地，机体越小，手机中的单极天线受手机影响越大，因为手机俨然成为了天线的另一臂了。这种天线是非平衡天线。天线（系统）上电流分布将明显受手机体的影响。当手机的最大尺寸小于系统最小频率的四分之一波长时，天线系统将无法在该频点处产生谐振。如AMPS、PCS双频系统设计，AMPS频段就要求机体长度至少达到824MHz的四分之一波长。手机越小，天线越容易受翻盖的影响，等等。。。 +h$) l/>:
这个帖子沉下去那么久了，居然还有人给顶上来。本人也很?****挥性谡飧鎏匙由戏⒈砜捶恕Ｂド系奈侍夂芰常们胰衔阋龅腃DMA、GSM、DCS、PCS或者GSM、DCS、PCS、WCDMA。这两种组合共性是双频带，挑战主要是增加各带的带宽而已。其他的组合（如GSM、GPS、DCS、PCS）可能要出现3频带甚至更多频带，这里的挑战将更大。因为要增加谐振点的个数，同时要控制各谐振点彼此之间的距离。对于第一种情况，简单说上几句如下。 .7*3V6h=F
理论是指导实际的。如果理论实际能彼此交融，你的功底将不同一般。双频带的四频天线，焦点在于带宽。要想优化到最佳带宽，就必须从理论上知道有那些因素会影响它。前面说到PIFA的工作原理时，说到了边缘场分布，那里我只是说一对边（较长方向）的辐射。事实上，矩形微带天线的另一对边（较短方向）也会帮助辐射的，这个由场模式决定。模式取决于馈点的位置和波长。一般来说，短边的边长越长，带宽也会增加。当长短边近乎相等时（方形）馈点、短路点的位置选择尤其重要。它会直接影响天线的指标如极化及方向图。 ;{e;6Hq
两对边缘场可能辐射不同的极化分量，且它们之间的相位差也可能满足一定的关系。（patch antenna做圆极化GPS天线正是利用此原理）。设计合理时，可以让两个模式谐振的频率接近，形成双峰结构，也就增加了带宽。如果在高低频段各自形成双峰结构，你的4频天线的带宽可能就得到了优化。注意，这种天线设计时要关注其在同一频带不同频点的极化方式。 C>vp oCA
大家都知道了，PIFA的高度直接影响带宽。现在又提到了一个天线的短边长度。再重复几个原理，介质介电常数增加会降低带宽，损耗降低会降低带宽（但增加损耗来改善带宽并不一定合算）。 tp,e:4\ 8Q
所以，你的天线高度要够，宽度要够（当然长度也要够），说到底，体积要够（只是各个尺寸对各个参数的影响程度不同而已）。天线的介质要尽可能少以降低介电常数（对于某些应用我们会需要很大的介电常数以减小体积）。你可能要问多少尺寸才够。答案是，不同的案例情况有所区别，无法一概而论。但我可以说的是，目前国内绝大多数天线的设计都是尺寸不够的，大都以”性能“换取”小“的。 NiwJ$Ah~X
建议大家如有可能，读读英文版的天线原理，其中微带天线部分会给你很大帮助。 DJv;ed%x
您讲，简单的PATCH ANTENNA，长边是1/4波长，那两边应该是90度的相位差， 0"~ `U.k~M
那么，边缘的电场是如何抵消的呐？ R~ $W
这里是我讲的时候跳跃性比较大。对于没有短路点的微带天线（或者patch antenna），长边方向需要1/2波长才能产生TM100场模式，此时垂直分量可以抵消。但是我们说PIFA通常在馈电点旁边会有一个短路点，该短路点的引入会改变场模式，长边只要1/4波长左右，两边缘的场垂直分量（有部分）会抵消。也就是说，这就是为什么你的短路点和馈点的位置选择会直接改变场模式（也就会改变阻抗）的原因。换句话说，短路点的引入实际上能减小天线的尺寸。经验公式基本是 <MlRy%3Z
天线的低频的谐振点波长为4×（长边＋短边），这里忽略了波长缩短效应。 z@nJ-*'U8
好吧，我说几本英文的好书吧。顺序靠前的是推荐度高的也是我好好看过的。 do2~LmeW
1） Plannar Antennas for Wireless Communications， Kin-Lu Wong 2[W1EQI
2) Microstrip and Printed Antenna Design, Randy Bancroft +6=2B0$ r
3) Electromagnetic Anechoic Chambers, Leland H. Hemming a$7}_kb
4) Antenna Theory and Design, Revised Edition, Robert S. Elliott y;+5cn C
5) Microstrip Antenna Design Handbook, Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon Nj2f?',;U
以上1）是着重讲常见的无线通讯天线如手机天线（外置的，内置的等）、基站天线等。偏重实际，理论偏少。2）是讲微带天线以及电小天线的。作者是一个从事天线设计20年以上的工程师，该作者理论及实际水平很高。3）是讲微波暗室的设计原理，要考虑的因素等，是一本非常实用的书。我看完以后感觉收获很大。4）是讲各种天线的基本理论的。5）是讲微带天线的，理论性很强，看起来不是很容易。 (GVH#}uB
另外我顺便在这里共享一个信息吧。有想到上海作手机天线研发的和我联系，可以和我作同事。可以发邮件到[url=mailto:joezh1999@sohu.com]joezh1999@sohu.com[/url] _R!KHi
公司为美资公司，是一家全球公司，在上海的规模有1000人左右。简略要求为， s6(iiB%d
1）本科以上相关*****， -uDB#?q:W
2）工作扎实，有技术敏感性 xS) njuq4
3）有1年以上天线设计经验 ,O@x v
4）有英语沟通能力（CET4） EK^B=)q6:W
不是广告，仅仅是信息共享。有诚意者我可以推荐。其他勿扰 3@ a
有几个地方不能认同和大家讨论讨论： 6~KtT{MYQ
1，关于PIFA的辐射场问题，特别是对于手机的Low band，觉得所谓的边缘场辐射的解释占不住脚，因为不管PIFA天线还是IFA、monopole，不论Feed pin的方向怎么放置，方向图始终是全向的，说明Low band的辐射中板子的作用贡献更大； v$R+5_@[l
还有，微带天线馈点偏离中心，利用各边缘形成电场差辐射；PIFA的馈点在一端，这里的电场非常弱，我不能肯定还用微带天线解释是否合理。 _~aFzM
2，关于short pin缩短天线谐振长度的问题，如果我们用monopole天线，调整到了合适的谐振长度，这时候加上一个short pin，也就是说变成一个IFA天线，它的谐振频点并没有变，只是return loss变深了而已，也就是说改变的只是它的输入阻抗；PIFA也一样，去掉或者加上short pin谐振长度并没有明显的变化，只是输入阻抗变大了从而使return loss变深了。 93="sS
我认为short pin的作用只是引入了一个磁耦合，稀释了Feed pin中的电流，从而提高了天线的输入阻抗，因为小天线的输入阻抗总是小于50ohm的，输入阻抗的提高总是能改善天线的return loss的。 _pSCv:3T
这只是我自己的看法，欢迎讨论 X|'EyZ
上面fourthman提出的两个问题，我说一下我自己的看法。我不是做小天线的，可能看法不一定对。首先，我觉得Joe的说法有一定道理的，可以用边缘场的辐射来解释PIFA，但是和普通的微带天线还有很大不同。其实根据惠更斯原理，所有的天线都可以通过在规则的图形上电流和磁流的积分来求远场。至于你说的在低端方向图是全向，因为频率比较低，地不够大，绕射性强。还有就是短路钉的问题，我觉得肯定可以降低频率，我最近就在做类似的东西，如果你扫频宽一些，你就会发现。短路钉应该会引入感抗，引入交叉极化。愚见，欢迎拍砖！ @add'>)
这么多人捧场。这么久了，还有人在读，在想。也很欣赏fourthman的帖子，因为你有自己的思考。对于你提到的2点我作点补充 `I(#.*
1）关于你说的 “因为不管PIFA天线还是IFA、monopole，不论Feed pin的方向怎么放置，方向图始终是全向的“。不知你有没有认真看方向图。以PIFA天线在常规直板机为例，其在GSM低频段（900MHz）的方向图H面全向吗？H面上增益最大与最小能差多少dB？请不要把你的坐标定得太大。然后你不妨多观察几种PIFA的方向图（H面），你能看出什么规律吗？请大家也注意研究一下。研究时，请着重比较有馈点短路点一侧与另一侧的增益区别。 2%YtMkC5
2）短路点的加入能否降低频率问题，应?****挥姓椤Ｄ悴环磷饕桓黾虻サ膒atch antenna，加和不加短路点很快就看出此作用。 {EKzPr/
至于原理解释的问题，大家都可以从不同的角度来解释。解释不是唯一的。取决于你从什么角度去理解，取决于你是如何建立物理模型。微观角度的从电流分布入手，搞‘路’的可以从等效电路模型入手。各种解释方法并不改变其物理本质和物理规律。 $sDvE~f0n
再补充一点，我们常用的小天线不是单频率的，而是一个或者多个频带工作。小天线的辐射电阻是很小的，并不是输入阻抗很小。天线的VSWR好不好取决于天线的输入阻抗与系统的匹配程度。电抗的作用不可小觑。在你提‘阻抗’如何如何的时候，心中一定要想清楚我到底是在考虑电阻还是电抗。在Smith图上等电阻圆不是以圆图的圆心为圆心。电阻不变，改变电抗，VSWR（匹配程度）是会相应改变的。如果讲 “输入阻抗的提高总是能改善天线的return loss的”，需要考虑清楚。电抗增加了阻抗的模值增加，Return Loss不一定会改善。 p`// *gl
还有，天线的输入电阻包括辐射电阻和损耗电阻两部分。通常两部分并不能严格确定。也就是说辐射效率（注意不是指天线的总效率，不包括反射）在整个频带内并不是常数。电阻增加了，并不一定辐射电阻增加（或者不增加那么多）。再往深处想，在smith图中以圆图的圆心为圆心的同心圆（等反射系数圆）上各处反射相同，即return loss相同，天线效率并不一定相同。究竟在何处最好，这就是学问。有兴趣者不妨自己研究研究。 T:ye2yg
fourthman朋友一定是理论不错的，也有相当实践经验的。谢谢你的问题。 8}m bfu o1
这个经典的帖子，我也回一下吧。 Nf0'>`/
1.关于joezh1999。 \%nFCK0
这是一位技术扎实，经验丰富，非常热心的行业前辈。说实话，他的那段经典回复现在不光是52rd，很多别的论坛谈到手机天线的帖子都能看到这段文字，被转载了N次。稍微介绍下joezh1999，他姓周，joe是他的英文名，1999是他参加工作的时间。如他之前的回复所说，他之前供职于一家美资的公司，不过现在是在国内一家顶级的天线公司，并且在这家公司的上海研发中心当老大。所以TIM207 不必感慨：“为何牛人都在外企啊。。。要是joezh1999在国产手机公司，那该多好啊。。。”至于ccbxd说的：“看来JOEZHOU1999，突然发现应该是深圳科技园某某公司的大侠......”这个你恐怕弄错了，joezh1999所在的公司总部倒是在深圳，不过不是在科技园，而是在关外。这家公司软硬件都很过硬，在行业里是非常有名的。所以无怪乎joezh1999这样的牛人会在这家公司。 o9)pOwk7;
joezh1999，只是简单介绍下你，我也是无意中得知你的，希望我的这番介绍没有冒犯到你。 CmaV>
2.关于joezh1999介绍的几本资料。 > }#h
1)Plannar Antennas for Wireless Communications， Kin-Lu Wong PI>PEge!&
2) Microstrip and Printed Antenna Design, Randy Bancroft %G6ml,
3) Electromagnetic Anechoic Chambers, Leland H. Hemming *I; ,|Jjk
4) Antenna Theory and Design, Revised Edition, Robert S. Elliott SFrQPdX6V
5) Microstrip Antenna Design Handbook, Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon iB[>uW
1) 《Plannar Antennas for Wireless Communications》 `ReTfz;o
这本书论述和总结了PIFA天线、monopole天线、基站天线、无线局域网天线等诸多应用于现代通讯设备的新型天线种类。本书在手机天线，无线网卡等小型无线通讯设备天线行业里几乎人所共知，被许多工程师奉为经典级著作。作者翁金辂(Kin-Lu Wong)教授，是IEEE会士，台湾国立中山大学学术副校长，学术研究处学研长，工学院电机工程系电波组教授，国立中山大学天线实验室负责人。他在平面天线应用于无线通讯的研究领域是处于国际领先地位，对于手机天线设计有着极深的造诣。所以把这本书作为第一推荐是一点也不为过的。 H`/Q hE
2) 《Microstrip and Printed Antenna Design》 7n*,L5%?]4
作者Randy Bancroft，是美国爱荷华州大学的电机工程学士，科罗拉多大学电机工程硕士。曾分别在洛克希德，马丁•玛丽埃塔，汤姆森家电，鲍尔航空航天等公司工作过，甚至joezh1999之前谈到的自己任职的那家美国公司，Randy Bancroft也在其中工作过，呵呵。所以joezh1999的对于Randy Bancroft的这番评价：“作者是一个从事天线设计20 年以上的工程师，该作者理论及实际水平很高。”也是很恰如其分的。 -.A%c(|Q
3) 《Electromagnetic Anechoic Chambers》 Fw!wSzsk3
这本书系统讲述了电磁消声暗室的设计，制造，材料选择，测试程序等内容。都是很直接实用的内容。 `oP<mLxle
4)《Antenna Theory and Design, Revised Edition》 ;seD{y7!
5)《Microstrip Antenna Design Handbook》 L(a&,cdh
这两本书都很厚，一个600多页，一个800多页，都是理论性很深的书，读下来应该需要很好的耐心。 -x~h.s,
以上这些书都是外文专业类书籍，国内是买不到的，是由美国Wiley公司出版发行的，可以在Amazon网上书店购买，国内的卓越亚马逊虽然隶属Amazon旗下，但是限于国家对图书、印象等商品的规定，现在还无法出售亚马逊网站的商品。所以如果想购买的话，只能直接向Amazon订购，而且需要用Visa，Mastercard等具有国际支付功能的*****付款。亚马逊的网址是 http://www.amazon.com/ ;K<e]RI;?
必须指出的是，这些书的价格非常高，几乎都在100美元以上，具体费用可以在Amazon上查询。像《Electromagnetic Anechoic Chambers》这本书，是这几本书中最薄的，只有240页，却异常的昂贵，打完折后也要120美元。算上运费，这些书，一本就要七八百，甚至上千元人民币。所以想买这些书恐怕并不容易，无论是途径还是费用。 o -tc}Aa

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