关于Pifa天线的问题

hlg100200

Pifa天线有一接地馈点和一信号馈点，有人说是给天线提供一个参考地，具体是什么原理，向各位大侠请教一下[em13]

joezh1999

<P>楼主的问题虽寥寥数语，可回答起来不是那么容易的。如果你对微波的基础知识理解了，可能能够理解我下面的回答。</P><P>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。</P><P>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）。</P><P>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。</P>[br]<p align=right><font color=red>+9 RD币</font></p>

fourthman

有几个地方不能认同和大家讨论讨论：
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；
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。
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。
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。
这只是我自己的看法，欢迎讨论

西门飘雪

形成一个到地的回路!

jonwu998

楼上说得好,从事微波方面的技术工作,的确需要坚实的理论知识来指导,深入分析测试数据,多想一个为什么?当你攻下一个技术难题,理解加深了,那时的心情是多爽啊.苦中有乐就在于此.努力吧,同行们!

tmd123

<P>终于有高人在射频网上明确的描述PIFA大致的工作原理了.</P>

chasesun

<P>听君一席话，胜读十年书。</P><P>谢谢3楼同志 <FONT color=#000066><B>joezh1999</B></FONT></P>

winter5460

<DIV class=quote><B>以下是引用<I>joezh1999</I>在2006-4-19 0:38:00的发言：</B>

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。</P>

<P align=right><FONT color=red>+9 RD币</FONT></P></DIV>


请问楼上的，从左右边缘上的电流走向来看，电场的水平和垂直应该是抵消了的啊（右手规则）？水平分量叠加是怎么回事？

maggielf

学了不少！1[em06]

joezh1999

<P>光用文字在此描述实在不容易。请有兴趣者找本书，好好看看‘微带天线的工作原理’那部分。针对我所说的第1点前一部分你将得到图文并茂地解释！</P><P>说点个人感慨，对于基本理论，尤其有些简单的基本理论，很多人很不在意，甚至很瞧不起。还有的人，如果你问他知道不知道，他说知道，也学过，可是从来没用过，也忘了。只是不断抱怨如今学校的知识如何如何与实际脱节，如何如何没用。其实事实上并非都没用，关键看你是什么态度，你会不会融会贯通。有好的态度，能融会贯通，在问题面前你就会有比别人更深更好的理解。</P>

jackety

说得好呀？我赞成

Eternallove

<P>jozezh1999 ,大侠啊。</P><P>能不能在讲讲Monopole天线？</P>[em01]

joezh1999

<P>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。</P><P>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）。</P><P>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。</P><P>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。。。</P>[br]<p align=right><font color=red>+5 RD币</font></p>

Eternallove

<P>谢谢楼上！</P>

shixin826

大侠，佩服不已

ykx616

大侠再说说怎样用PIFA来做四频天线吧。感激不禁！[em01]

joezh1999

这个帖子沉下去那么久了，居然还有人给顶上来。本人也很久没有在这个坛子上发表看法了。楼上的问题很笼统，姑且认为你要做的CDMA、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。
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。
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。

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）。
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。
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。[br]<p align=right><font color=red>+5 RD币</font></p>

slgeric

理论指导实践，实践中再找理论依据，本应如此，但做好很难，尤其是手机内置天线设计。

EMCguy

joezh1999，谢谢讲解，很有帮助。

可是，有一点不明白：
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，
那么，边缘的电场是如何抵消的呐 ？


>>引用>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
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。
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jerry1298

有見地

sunny-007

说的很好。我们做天线不能忘了理论知识。也许我们不能像 joezh1999 讲的那么透彻，但最起码还是要了解的。
如果连天线的原理都不知道，我们还做什么天线？？