平面倒F天线综述

电子工程综合实验报告

平面倒F天线设计

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（课程设计时间：2015年9 月1 日——2015年9 月14 日）

安徽大学

目录

一、概述 (3)

1.1 电子综合实验的目的 (3)

1.2 电子综合实验的要求 (3)

二、平面倒F天线的基本原理 (3)

2.1 PIFA天线的由来和基本结构 (3)

2.2 PIFA天线的若干定性结论 (4)

2.3 PIFA天线多频工作的实现 (5)

三、平面倒F天线的设计 (6)

3.1 PIFA天线的设计方法 (6)

3.3 PIFA天线的结构参数对性能的影响 (7)

3.4 HFSS仿真结果与分析 (7)

四、总结与讨论 (7)

一、概述

1.1 电子综合实验的目的

（1）了解平面倒F天线的工作原理及设计思路。

（2）掌握HFSS软件的操作方法。

（3）了解天线的应用领域及重要性。

1.2 电子综合实验的要求

利用HFSS软件设计并分析平面倒F天线，了解PIFA的原理，各种参数的变化对天线的影响。

二、平面倒F天线的基本原理

2.1 PIFA天线的由来和基本结构

PIFA（Planar Inverted F-shaped Antenna)天线即平面倒F天线，由倒L天线的变形而来的，如图1结构就是倒L天线，它由作为垂直元的短单极子和附加在单极子末端的水平单元组成。其中1是垂直单元，2是水平单元，3是馈电点，4是接地板。由于倒L天线有一个低阻抗值，它基本上是在单极子末端加了一段水平线的垂直短单极子天线，天线的输入阻抗几乎等于短单极子天线加上与地面接近的水平线的电抗。为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端附加另一段倒L

型线段，这一变形非常重要，因为倒F天线，不需要在天线和负载之间附加任何电路的情况下，调整它的几何尺寸就能使其输入阻抗具有与负载阻抗相匹配的值，这就是倒L型天线变形成倒F天线（IFA）的原由。图2所示就是最简单和典型的倒F天线模型。

图1 倒L天线模型

图2 倒F 天线（IFA ）模型

PIFA 天线的基本结构包括四个部分：接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线，其典型的结构如图3所示。其中，接地平面可以作为反射面，辐射单元是与接地平面平行的金属片，短路金属片用于连接辐射单元和接地平面，同轴馈线用于信号传输。

图3 PIFA 天线结构

2.2 PIFA 天线的若干定性结论

根据以上PIFA 近似模型，已有不少文献中对PIFA 天线进行近似分析，并得到很多有指导意义的结论。假设分析采用典型的PIFA 天线基本结构，其辐射体为一矩形铜片，铜片的长度（L ），宽度（W ）和天线的中心谐振频率0f 。

PIFA 天线的谐振频率公式满足以下：()W L c f +*=40其中c 是真空中的光速。这公式也表明，矩形辐射体PIFA 天线长宽边之和近似等于1/4。

辐射体和接地面之间的高度H 对天线的工作带宽产生严重影响，带宽随着H 的增加而增加。PIFA 天线中对带宽起决定作用的结构参数就是H 。一般手机

天线中H 不允许低于7mm 。

接地片的宽度也对带宽产生影响。增加接地片的宽度将增加带宽，降低接地片的宽度将降低带宽。

改变馈电点的位置可以改变输入阻抗，因此可以通过改变馈点的位置实现频率调谐。但是这种方法往往比较难以实现。

PIFA 天线仅在半空间辐射，因此具有很高的前后比（6-8dB ），比外置天线有较好的SAR 值。

PIFA 天线接地面的大小会影响天线的带宽。最优接地面尺寸受PIFA 天线辐射体尺寸的影响。

2.3 PIFA 天线多频工作的实现

为了适应无线通信多频段工作，就需要天线实现多频段工作。对于PIFA 天线实现多频段工作，可以通过使用双馈点或者在PIFA 天线辐射金属片上采用开槽的技术来实现。使用双馈点时，调谐频率和调谐范围往往受到一定的限制，因此，在PIFA 天线的实际设计中，多采用开槽的方式来实现多频工作。图4为多种开槽方案来实现双频或多频工作，其中L 形开槽和U 形开槽是最常用的。

图4 PIFA 的多种开槽方案

L 形开槽的PIFA 天线辐射金属片如图5所示，通过开槽可以改变原先电流路径，形成两个相对独立的电路回路，从而实现PIFA 天线的双频工作。在L 形开槽下，长度L 1、宽度W 1 的矩形金属片作为辐射元1，产生低频谐振频率 1f ；长度为L 2、宽度为W 2 的矩形金属片作为辐射元2，产生高频谐振频率2f 。在L 型开槽下，低频谐振频率1f 和高频谐振频率2f 可以分别估算为下面公式：

)(4)

(4222111W L H c f W L H c

f ++=++=

图5 L 形开槽PIFA 天线

三、平面倒F 天线的设计

3.1 PIFA 天线的设计方法

PIFA 天线利用HFSS 软件来设计。HFSS 软件提供了一个简单易用的建模环境，从而可以准确、方便地创建出各种天线的结构模型，博阿凯准确滴设置天线模型的结构尺寸和正确地分配模型的材质。

3.2 倒F 天线的模型结构

使用HFSS 设计的PIFA 天线结构模型如图6所示。表1所示为当前设计中所定义的变量名称，变量所代表的结构参数以及变量的初始值。

图6 PIFA 天线的HFSS 设计模型

表1 变量定义

参数数值/mm 参数数值/mm 参数数值/mm

H 10 Lg 120 SW 6

L155 Wg 60 r1 0.25

W132 Xf W1/2 r2 0.59

Xg 10 Yf 5

Yg 5 Xs 0

3.3 PIFA天线的结构参数对性能的影响

工作频率和带宽是天线的两个重要参数，下面我们来分析PIFA天线的高度、短路金属片的宽度和接地平面的大小对天线工作频率和带宽的影响。

对于PIFA天线来说，在其他参数保持不变的情况下，PIFA天线随着天线高度的增加，工作频率逐渐降低，带宽逐渐增大。

对于PIFA天线来说，接地平面宽度的改变对PIFA天线谐振频率几乎没有影响，但是会较为显著地影响到PIFA天线的带宽。当接地平面宽度从50mm变化到60mm时，天线的带宽逐渐变小。

3.4 HFSS仿真结果与分析

四、总结与讨论

虽然当前设计的双频手机天线的初始结构已经达到了性能要求，但多数时候天线设计是不可能一步到位的，这就需要我们根据所学的天线理论知识，调整天线的结构参数，然后再交由HFSS仿真分析出能够达到设计要求的结构参数值。

工作频率和带宽是天线的两个重要参数，在本文中，我们主要分析该天线的

高度H和短路金属片的宽度对天线工作频率和带宽的影响。

1、高度H对该PIFA天线工作频率和带宽的影响

为了研究天线高度H对天线性能的影响，我们添加PIFA天线的高度变量H 为扫描变量，其他参数如表1所给出的不变，使用HFSS参数扫描分析功能仿真分析给出当变量H在8mm~12mm范围内变化时，天线谐振频率和带宽的变化。

2、短路金属片的宽度对PIFA天线工作频率和带宽的影响

添加该PIFA天线短路金属片的宽度变量SW为扫描变量，其他参数如表1所给出的不变，使用HFSS参数扫描分析功能仿真分析给出当变量SW在

4mm~8mm范围内变化时，天线谐振频率和带宽的变化。

移动通信产业是当今世界上发展最快、最富有活力的领域之一。近三十年来，移动通信经历了第一代AMPS、TACS和NMT等系统，第二代GSM、DCS和窄带CDMA系统，直到目前刚刚商业化的TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000

和Wimax等第三代系统。随着移动通信技术的发展，手机用户也在迅猛增加，截止2009年年低，全球手机用户数已超过46亿。而在移动通信中影响其总体性能的天线的设计便成了重点突破口，一副高性能的天线能放宽系统的要求且改善整个系统的性能。大多数情况下，终端天线安装于一个小的塑料盒中，使用时，天线贴近使用者在某个环境中运动。同时，要求系统辐射低功率且能提供话音和数据的可靠连接。

在上个世纪，作为手机天线工程师还是一件比较轻松的事情。一来需要设计的天线种类不多：鞭状天线、螺旋天线、PIFA天线；二来频段单一，一般只需单频天线，最多双频天线。时过境迁，时间进入了二十一世纪。手机已经走入平常百姓家，功能也越来越多，手机厂商对天线工程师提出了多频、宽带、小型化等更多更苛刻的要求，现在的手机已改过去翻盖或平板一统天下的局面，样式多种多样：翻盖、旋转、侧翻等等。薄如名片的手机越来越受宠，天线尽可能的被隐藏起来，过去一款天线可以在若干型号的手机上面使用。而且不管用户的手怎么对手机抓握，手机天线的性能都不能大幅度的下降，随着无线通信系统的日益复杂，不同的规范对手机天线的要求也越来越严格：辐射特性要达标；电磁场辐射（EMF）安全规定要符合；比吸收率（SAR）必须满足一定的标准；对助听器的兼容性要好；手机信号不能对助听器产生干扰；杂波发射和自干扰要符合EMC

要求。