华禹培训总结技术精华（手机PIFA天线直观的理论分析）

wangsw

转载

一篇简单易懂的PIFA天线理论说明，具有很强的指导意义，能够解释很多天线方面的问题。

http://www.eefocus.com/wangsw/blog/10-04/188389_c37ea.html


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

<img src="attachments/dvbbs/2010-4/2010416179173499.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

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。

<img src="attachments/dvbbs/2010-4/20104161791773499.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

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。

<img src="attachments/dvbbs/2010-4/20104161794773499.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />  <img src="attachments/dvbbs/2010-4/20104161710273499.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />

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。
<img src="attachments/dvbbs/2010-4/201041617101373499.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />
<img src="attachments/dvbbs/2010-4/201041617121273499.jpg" border="0" onclick="zoom(this)" onload="if(this.width>document.body.clientWidth*0.5) {this.resized=true;this.width=document.body.clientWidth*0.5;this.style.cursor='pointer';} else {this.onclick=null}" alt="" />



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。

这个比较容易解释，因为PIFA天线的电容相对于单极性天线来说大很多，也就是说能量在谐振腔中更多，外界不容易干扰，也很难改变PIFA天线的阻抗，所以稳定性比单极性天线强，但恰恰因为它的电容太大，导致外接的相同的能量进入，在PIFA天线上产生的电压变化，远远不如单极性天线大，所以灵敏度低于单极性天线。

这个用了这个么例子，相同能量下谐振，

1uF电容与1uH电感             0.1uF电容与10uH电感

根据电容能量公式：1/2*C*U*U，电容小的这组谐振电压是电容大的这组谐振电压的SQR（10）以上，也就是3.16倍。用这个例子就比较清楚的反应了稳定性与灵敏度的关系。



通过这些的解释之后，进一步阐述了不接地的金属对天线的影响，因为天线旁边一般都有镀金属的装饰件，或者是喇叭之类的很多，这些对天线都有很大的影响，那么设计天线的时候，就需要考虑这些因数。

大家知道电磁场不能穿过金属，所以金属对于电磁场类似镜子，会反射，当天线附近有不接地的金属的时候，电磁场将会被反射回来，导致手机能量无法辐射出去，严重的导致PA电流变大，I/Q信号被干扰，相位误差，杂散等提高，为了降低金属对天线的这种严重的影响，往往需要把此类金属跟主板地连接起来。问题是，为什么接地能够降低影响？

还是从皮法天线的场结构说起，接地，就是类似C2，参与了天线电磁场的谐振，延伸了电场结构，而不是反射了电磁场，上面提到的长主板就是其中的一个典型例子，但若没有接地，就是反射电磁场，那么不仅仅这个方向的能量无法辐射，同时也影响了整个天线的匹配，就算天线厂家把这个影响考虑进去，也不见的能够调试出好的天线来。

这个时候，周锋就提到，以前那款蜘蛛侠的机器，电池上因为包的是导电的膜，导致天线信号很差，就可以很好的用这个解释，以前想不通的，这样就能相通了，这个原因很简单，本身蜘蛛侠的机器是直板长条行机器，天线调试的时候，电池外面没有包导电膜，虽然电池有铝壳，但因为是正极电源，等价于接地，延伸了电场结构，GSM 信号也很好，但因为包了一层不接触的导电膜，完全反射了电磁场，无法延伸电场结构，所以信号很差。

           

这次的培训，射频方面不仅仅给大家讲明白了这些基本的东西，也让自己更加理解了天线的各种细节问题。

我们无意追求理论上高深的解释，而是希望用一个合理的，简单，看得到的解释来解释手机开发中的一些特性，指导我们开发设计。

magicsissy

非常不错的观点。

a576657007

受益不浅

haerbindaxia

这个用了这个么例子，相同能量下谐振，

1uF电容与1uH电感             0.1uF电容与10uH电感

根据电容能量公式：1/2*C*U*U，电容小的这组谐振电压是电容大的这组谐振电压的SQR（10）以上，也就是3.16倍。用这个例子就比较清楚的反应了稳定性与灵敏度的关系。

楼主的这个观点我并不赞同，想想看，手机接收的情况下，如果把天线当场电磁波的源，它向手机传输的到底是什么？是电压吗？是电流吗？都不是。
传输的是一种能量，是电场与磁场正交的能流。
手机接收的不是电压，不是电流，是电磁波能量，如果传输的能量相同，PIFA与单极天线灵敏度相同

wangsw

楼上说的有道理，不能单纯的考虑电压，我再思考一下

haerbindaxia

以下是引用wangsw在2010-4-18 16:09:27的发言：
楼上说的有道理，不能单纯的考虑电压，我再思考一下

呵呵，其实是带宽的问题

wangsw

我也在思考带宽，但如何证明PIFA天线的带宽比单极性天线窄呢，这个如何证明？请指教！

对了，说明一下，我不是做射频，也不是做天线的，只是把公司里同事实验中的问题，根据自己的理解整理分析的，可能有很多不对的，请指教。文中的内容是这次给同事培训的时候，即兴讲解的。

411510550

学习一下啊！[em01]

Jin519

[em01]  很好的讲解

ccbxd

挺即兴的

hotmail2005

谢谢楼主分享[em01]

changan0524

这个绝对是好贴，顶啊[em01][em08]

tlmj206108

对于7楼问题的一点理解，分析带宽还是回到Q值上，因为天线可以等效为一个带通滤波器，从结论向原因推一下看看，感性的认识是PIFA带宽窄，则Q值大，因而有损耗的能量少儿储存的能量多（Q的标准定义），根据他们的敏感度可以知道PIFA的电流小电压大，而单极子的电压小电流大。同时因为PIFA是大电容而单极子是大电感，对于电容储存能量为 C*V，消耗能量为I*I*R，显然消耗能量比储存能量要小。对于电感储存能量为 L*I*I, 消耗能量为 I*I*R, 显然消耗能量比储存能量没有数量级上的太大差异。当然这只是定性的理解，如果真正定量的去计算还需要进一步分析。
等有时间了一定要好好分析一下或者哪位达人来算下。

haerbindaxia

我觉得楼主的这个问题应该分解成两个过程分析
1.电磁波从空间到天线的接收过程
从天线结构上看单极子天线较开放，PIFA天线结构较封闭。因此单极子天线有效接收面积较大
（13楼兄弟，我是从两种天线机构特性出发来认识它们的接收的，这并不是感性的认识）
我觉得无论是带宽还是Q值都是外在表现，内在原因是麦克斯韦方程
2.电磁波从天线通过传输线到接收机的传输过程
感觉主要取决于天线与其相连的网络（包括传输线和接收机）的匹配程度

我非常同意13楼关于天线的理解和应用Q值来分析，但是分析的过程有问题，
天线只是一种具有辐射性能的射频器件，你在计算过程中（C*V；I*I*R）中电压电流并不是真实存在的，只是一种等效，
因此I*I*R是并不成立的。当然，我并不否认天线中会有电流，但是和你计算中应用的并不一样，要小的多。我并不知道具体值

mingly98

讲的非常好，谢谢

superapple10

学习学习

wangsw

欢迎各位提意见讨论

楼主QQ为：26033613

zhouguanjun

飘过！。。。。

huayu_shenzhen

对这方面的内容不懂。
顶一下！

Roman1973

好帖子啊！顶！