PIFA天线与Monopole天线异同

liwenming19

麻烦问一下，PIFA天线和Monopole天线有什么相同之处，和不同的地方
   包括性能，对空间区域的要求等。能有高人指点一下吗？给我感觉，好像PIFA天线用得比较多，但是给我感觉
  Monopole的性能会优于PIFA天线。

yafei188

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。

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）。

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。




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。

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。

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。。。
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thunderclap

LS的朋友是专业做手机天线的吧，讲得挺好的。有几个问题想和你讨论一下：
1.第2点中对“接地片”的解释以前没有看到过，你指的接地片就是指形成1/4波长谐振的shoring wall或者shorting pin吗？我看到的解释是由于普通patch谐振长边中点所在平面电场为零，加上一个短路面后不会影响场分布从而使尺寸减小成为可能。不知道你和我讲的是不是一回事
2.看到过有人为了增加带宽把PIFA辐射体移至GND边缘，甚至部分地漏在外面（为了保持谐振长度有时还将贴片向内部翻折），这样的做法现在在手机天线界普遍吗？有没有什么消极影响没？（比如对辐射方向图的影响？我理解这样做使得向GND后方的辐射更多，不知有没有道理。在封装和固定上会不会也有影响？）
欢迎大家评论~[br]<p align=right><font color=red>+1 RD币</font></p>

liwenming19

yafei188,谢谢你的回答，能否推荐一些资料或是书籍看看。感觉天线方面的书很多都讲的太广泛，而且理论性太强，有没有与实践结合比较紧密的书介绍？？谢谢了

yafei188

接地片主要是为了增加与地面接触的面积,增大天线电流的回流,减少天线的谐振.这样能增加天线的功率,见过这样的款TD手机天线,为了增加带宽,特意的做了第三个馈点,用来拉宽带宽.
     至于天线的贴片向内翻折,对于同等面积来说,是会受到影响,但是,有的时候为了增大面积,这样做也是未尝不可的.其实做手机天线,没有什么套路,只要能做上去功率和灵敏度.什么样的天线都是好天线!呵呵...

yafei188

至于这方面的资料,我觉的只要耐心的看完一本关于这方面的书,一定会有收获的.其实看什么样的书不重要,好多的东西都是从经验中得来的,只要多动手,动手的时候多思考,用不了多久你就会很不错的!

thunderclap

以下是引用yafei188在2008-9-18 21:56:56的发言：
                                 接地片主要是为了增加与地面接触的面积,增大天线电流的回流,减少天线的谐振.这样能增加天线的功率,见过这样的款TD手机天线,为了增加带宽,特意的做了第三个馈点,用来拉宽带宽.
                                 至于天线的贴片向内翻折,对于同等面积来说,是会受到影响,但是,有的时候为了增大面积,这样做也是未尝不可的.其实做手机天线,没有什么套路,只要能做上去功率和灵敏度.什么样的天线都是好天线!呵呵...

我们的理解可能有一些偏差。“有的时候为了增大面积,这样做也是未尝不可的”，增大面积指的啥？
“做上去功率和灵敏度”，这两个参数在经典天线理论中都没有作为重点提及，能否详细解释一下。平时做科研看paper都是指上谈兵，实际工程应用上的东西太欠缺，见笑了

yafei188

尽可能的增加手机的辐射面积,也就是增大手机天线的面积!功率和灵敏度问题是判定一个手机天线好坏的标准!功率大小是决定手机发出信号的好坏,而接收的灵敏度是手机接收信号的好坏!举个例子来说,如果打电话时能听到别人的声音,别人听不到你的声音,那就是发射功率不好.别人听到你的声音,你听不到别人的声音,那主是手机天线的灵敏度做的不好!呵呵,很简单的一个例子!

thunderclap

谢谢LS回复，你对功率和灵敏度的解释非常形象。
继续讨论一下：
对于辐射面积和“向内翻折”的问题，我认为“向内翻折”恰恰是减少了辐射面积（如果可以把你讲的辐射面积和“辐射口径”等同的话）。对于“向内翻折”，有兴趣的话可以参考一下：
P. Vainikainen, J. Ollikainen, O. Kivekas, and I. Kelander, "Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis," IEEE Trans.AP, vol. 50, no. 10, pp. 1433-1444, Oct. 2002.
可能我们的理解还是有些差别。
另外，如果单是考虑手机天线，不考虑电路或者其它元件的话，功率是否取决于匹配和效率，灵敏度是否取决于方向图的全向性？不知这样理解是否正确。
谢谢！

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yafei188

你说的也有道理,你说的意思是说翻折后的辐射面积的没有翻折的辐射面积刚好中和?其实不然,翻折后的面积和原来的辐射体之间还存在着一定的距离.虽然说可以抵消,但是不可能中和.两者抵消后的辐射面积还是会大于没有翻折以前的.再者说了,这对于1/4波长也会有影响!所以,有的时候翻折是很重要的!
      至于匹配的问题,首先明白一点,匹配的作用是什么?举个容易明白的例子.就象电源变压器一样,他可以把很高的电压变到我们用的220伏.而匹配的作用就是匹配天线的手机评析之间的阻抗.使他们都是相同的50欧.匹配的好坏可能会影响到功率,效率刚是功率的有效利用率!灵敏度的好坏取决于天线以及主板周边的环境.而方向图的全向性,只给说明手机的方向性比较好!和灵敏度没有多大的关系!

thunderclap

"灵敏度的好坏取决于天线以及主板周边的环境.而方向图的全向性,只给说明手机的方向性比较好!和灵敏度没有多大的关系"
那么实际对于天线结构设计本身应如何满足灵敏度提出的要求呢？比方说为了满足一定的带宽，天线体积特别是高度就不能过低。那对于灵敏度呢？

yafei188

那么实际对于天线结构设计本身应如何满足灵敏度提出的要求呢？
    对于这个问答,我觉的只有是经验了!
  对于天线的灵敏度,取决于手机主板以及天线的周边环境!这些东西都是靠平时的积累才能很快看的出来,灵敏度不高的原因!

thunderclap

谢谢你，学到了不少实际的东西！

sallen2008

貌似以前问过并解答过的问题，可以找找精华贴看看

mwang

IFA天线是微带天线演变而来,
monopole, 偶极天线的一臂，将另一臂换成无穷大地