PIFA天线设计经验分享

一、PIFA天线模型分析

        从IFA天线的Smith圆图可以看出，其阻抗图随着频率的变化范围十分大，从端口Matrix data中的阻抗数据可以看到这一点。对于WIFI 2.4G频段的应用IFA输入阻抗频宽大致可以满足要求，但是对于其他带宽较宽的应用，该天线的阻抗带宽较窄，很难在通频带内满足阻抗匹配的要求，为了增加IFA天线的阻抗带宽，将其水平辐射臂更改为与地平面相平行的水平金属平板即形成了PIFA天线。

                                                        图：IFA天线的端口输入阻抗

        如下图示，PIFA天线结构中包含短路接地板，辐射平板，馈电线以及地平面，当我们使用同轴线馈电时，同轴线外导体与地相连接，内导体在适当位置连接辐射平板，形成馈源。一般来讲，在相同的工作频率下，PIFA天线高度要小于IFA天线高度，同时PIFA天线具有较好的前后比，这也是PIFA天线能够在手持移动设备中得到广泛应用的原因。

                                                                图：PIFA天线结构示意图

        从PIFA天线的物理结构上看，可以将其等效为一个IFA天线和一个以空气介质为基底的patch天线的合体，因此对其分析时需要考虑三维结构下的电场和电流分布并结合这两种天线的辐射特性。使用SNM（spatial network method）方法可以对PIFA天线的电场强度和电流的分布进行分析，这里对该方法不做深入讨论，仅给出相关结论。对于电场的E\: z 分量，可以预见其在短路板处为零，并在开路端取得最大值，这种分布类似于具有短路端口的patch天线。而E\: x 、E\: y 在边缘处为非零值，也正是边界上的电场分布产生了辐射场，形成了能量的向外辐射。对于PIFA这样一个结构，辐射平板下表面和地平面之间存在很强的电场，表面电流也集中分布在这两个面上，大部分的能量被束缚在此空间中，并且在短路点处电流为最大，这种能量束缚的特点使得PIFA对外界的干扰有很好的抵抗作用，从而对人手或者其他接触物产生较好的免疫。
        如下面两张图分别展示了SNM分析PIFA电场和电流的分布情况。平板上表面的电流值要明显小于下表面的电流，电流的分布状态不仅与馈电的位置相关，与短路点的位置和短路板宽度W的大小息息相关，也与平板的大小和长宽比例相关。应该说不同的电流分布决定了PIFA天线的工作频点，通常情况下为了改变PIFA的工作频点，仅仅依靠移动短路点和馈电点的位置作用是有限的，在平板上进行开槽从而改变电流的分布状态，并以此来改变PIFA天线的工作频点是通常做法。

                                                        图：辐射板电场分布示意图

                                                                图：辐射板电流分布图

        对于短路板的宽度而言，当短路板的宽度w减小时，电流的回流路径将会增加，此时天线工作频点向低频端移动，维持相同的工作频点天线宽度L2可做适当减小。我们定义

        式子中各变量含义可见图。由以上两个变量可将天线的工作频率表述为：

        从上面的表达式中可以得到：当天线高度增加时，其工作频率下降；短路板宽度增加时，其工作频率增加；当辐射板边长增加时，其工作频率下降。

二、PIFA天线仿真分析

        此节将试图构建一个工作在2.4GHz的PIFA天线，基板大小选取为100mm*100mm，辐射平板大小为20mm*20mm，天线高度选为5mm，短路板宽度为5mm，馈电点距离平板边沿的距离分别为（5mm，10mm）。需要说明的是，模型中并没有使用同轴馈电的方式而是改用了实际中更改为方便的微带线进行馈电，馈电激励为位于背面的Lump port。按照前述的计算公式可计算出此参数下的天线工作频点为2.15GHz，我们将利用HFSS优化设计方法进行参数的进一步优化，优化的结果如图所示。

        经过优化设计的天线参数为高度8.86mm，短路板宽度6.49mm，此参数下可计算出PIFA天线的工作频点在2.04GHz，实际仿真分析的结果为2.44GHz附近。

                                                                图：S11参数仿真分析结果

        关于PIFA天线的方向图，因为地平面的存在其辐射方向图具有较大的前后比，如图示是天线在XY平面内的方向图，其在第三象限内具有明显的弱辐射现象。从其三维辐射方向图也可以明显看到这种现象，其辐射主瓣主要落在第一象限内，并朝向+Z方向，这种分布对于手持移动设备可以获得较好的SAR，但是对于我司路由产品，因其在水平面内具有明显的全向覆盖缺陷，所以不能直接使用在常规产品上。

图：PIFA天线水平面辐射图仿真分析结果

                                                                图：PIFA天线三维辐射方向图

、

，其值分别为：