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1、PIFA: PIFA: PlanarPlanar InvertedInverted- -F AntennaF Antenna 平面倒平面倒平面倒平面倒F F天线天线天线天线平面倒平面倒F F天线的理论与实例天线的理论与实例喻志远喻志远 电子科技大学电子科技大学 2006.2.202006.2.20小天线的主要类型小天线的主要类型小天线的主要类型小天线的主要类型 1 1。MicrostripMicrostrip Antenna(MSAAntenna(MSA) ) 微带天线微带天线 2 2。PIFAPIFA：平面倒：平面倒F F天线天线 3 3。ILIL： 倒倒L L天线天线 4 4。Monopo
2、le Monopole MicrostripMicrostrip AntennaAntenna单极微单极微 带天线带天线以上天线都具有低剖面以上天线都具有低剖面(Low-Profile )特点特点主要小天线的带宽主要小天线的带宽主要小天线的带宽主要小天线的带宽ChuChu- -Limit Limit 一定天线体积与天线一定天线体积与天线一定天线体积与天线一定天线体积与天线 相对带宽的关系相对带宽的关系相对带宽的关系相对带宽的关系现代移动通信对天线的基本要求现代移动通信对天线的基本要求现代移动通信对天线的基本要求现代移动通信对天线的基本要求现代通信面临的挑战现代通信面临的挑战 # Signal
3、Reliability # Minimize signal loss # Combat multipath fading effects # Power requirements # Miniaturization: Low Profile # Data rates # Frequency utilization微带天线微带天线微带天线微带天线MSAMSA1。The length of the patch (L) is typically about a third to a half of a free- space wavelength (), .2。The dielectric thic
4、kness is in the range of 0.003 to 0.5. 3。A commonly used dielectric for such antennas is polytetrafluoral ethylene (PTFE), which has a relative dielectric constant of about 2.5.polytetrafluoral ethylene聚四氟乙烯聚四氟乙烯MSAMSA特点特点特点特点1. They are low-profile antennas. 2. They are easily conformable to nonpla
5、nar surfaces. Along with their low profile this makes them well suited for use on high-performance airframes. 3. They are easy and inexpensive to manufacture in large quantities using modern printed-circuit techniques. 4. When mounted to a rigid surface they are mechanically robust. 5. They are vers
6、atile elements in the sense that they can be designed to produce a while variety of patterns and polarizations, depending on the mode excited and the particular shape of patch used. 6. Adaptive elements can be made by simply adding an appropriately placed pin between the patch and the ground plane.
7、Using such loaded elements, theantenna characteristics can be controlled. 分析模型分析模型分析模型分析模型 Transmission Line Model for Microstrip Antennas Cavity Model for Microstrip Antennas MSAMSA的的的的QQ值与基片的相对介电常值与基片的相对介电常值与基片的相对介电常值与基片的相对介电常 数介质的关系数介质的关系数介质的关系数介质的关系一些天线的一些天线的一些天线的一些天线的QQ值值值值PIFAPIFA天线的背景天线的背景天线的
8、背景天线的背景 现代移动通信对天线的要求主要为以下几方 面： 1。小尺寸。 (Compact in size) 2。轻重量。(Light in Weight) 3。与设备共形。(Conformity with structure) 4。全向辐射。(Omni-Directional) 5。多频带工作。(Multi-Band Operation) 6。 低造价。(Low Fabrication Cost)PIFAPIFA的特点的特点的特点的特点 Advantages The PIFA has many advantages： easy fabrication, low manufacturing
9、cost, and simple structure. Disadvantages But the major disadvantage keep the basic PIFA from diverse application is its narrow bandwidth, The major limitation of many low-profile antennas is narrow bandwidth. Typical conventional PIFAs have a 5% bandwidth, but advanced designs offer wider bandwidth
10、.PIFAPIFA天线带宽天线带宽天线带宽天线带宽where f u and f l are upper and lower frequency of bandwidth, f r is resonant frequency, Q is quality factor, R is loss component of antenna, L is inductive component of antenna, C is capacitive component of antenna, S is volume of antenna.PIFAPIFA天线基本结构天线基本结构天线基本结构天线基本结构*Th
11、e basic PIFA consists of a ground plane, a top plate element, a feed wire attached the ground plane and the top plate, and a shorting plane that is connected between the ground and top plate. *In general, the most frequently used method to broaden the bandwidth is to raise the height of shorting pla
12、ne that is increasing the volume 2. PIFAPIFA天线的带宽和主要研究方法天线的带宽和主要研究方法天线的带宽和主要研究方法天线的带宽和主要研究方法 从本质上说从本质上说PIFAPIFA天线是一种窄带天线，它天线是一种窄带天线，它 的相对带宽大概为的相对带宽大概为8%8%，可以满足一般移，可以满足一般移 动通信的应用。动通信的应用。 从工作模式而言，从工作模式而言，PIFAPIFA又可以看成是一有又可以看成是一有 短路片（点）的微带天线，其谐振模式为短路片（点）的微带天线，其谐振模式为 TM100TM100天线主要研究方法天线主要研究方法天线主要研究方法天线
13、主要研究方法 尽从理论上我们可以把PIFA天线作各种近似， 但精确的分析必须应用数值分析的方法： 主要数值方法有：矩量法（MOM），有限元 （FEM）法，时域有限差分方法（FDTD）。 矩量法是基于矩量法是基于GreenGreen函数的积分方程的离散的解函数的积分方程的离散的解 有限元法是基于变分法的数值解有限元法是基于变分法的数值解 时域有限差分法是基于差分法的离散数值方法。时域有限差分法是基于差分法的离散数值方法。有限接地平面对有限接地平面对有限接地平面对有限接地平面对PIFAPIFA天线的影响天线的影响天线的影响天线的影响 有限天线是小天线的重要组成部分，它对天线的有限天线是小天线的重要
14、组成部分，它对天线的 电特性有重大影响。电特性有重大影响。 有限接地平面将对天线的谐振频率，带宽，天线有限接地平面将对天线的谐振频率，带宽，天线 增益，方向图，产生直接影响增益，方向图，产生直接影响 设计者常需要对设计者常需要对PIFAPIFA天线的尺寸，接地平面的天线的尺寸，接地平面的 大小和其电特性之间作出折衷大小和其电特性之间作出折衷. . 对无限大的接地平面，人们可以用镜像法来分析对无限大的接地平面，人们可以用镜像法来分析 接地平面对天线的影响，但有限大的接地平面，接地平面对天线的影响，但有限大的接地平面， 其边缘的电流分布对场的辐射有重要贡献。其边缘的电流分布对场的辐射有重要贡献。有
15、限接地板对天线阻抗的影响有限接地板对天线阻抗的影响有限接地板对天线阻抗的影响有限接地板对天线阻抗的影响有限接地板对有限接地板对有限接地板对有限接地板对PIFAPIFA天线的影响（工作频率）天线的影响（工作频率）天线的影响（工作频率）天线的影响（工作频率）有限接地板对有限接地板对有限接地板对有限接地板对PIFAPIFA天线的影响天线的影响天线的影响天线的影响2 2工作频率方向性相对带宽当接地板的尺寸为0.8时 PIFA天线的相对工作带宽为 0.8%PIFAPIFA天线宽带技术天线宽带技术天线宽带技术天线宽带技术除了增加接地板与上部辐射板之 间的间隙以外，展宽除了增加接地板与上部辐射板之 间的间隙
16、以外，展宽PIFA天线带 宽的技术还有天线带 宽的技术还有 1。使用附加金属贴片的双谐。使用附加金属贴片的双谐 振电路技术。振电路技术。 2。加载高介电常数介质。加载高介电常数介质 3。加入贴片电阻以增加天线。加入贴片电阻以增加天线 负载，降低负载，降低Q值值 4。采用斜边顶板结构， 如图。采用斜边顶板结构， 如图 示，辐射带宽可达示，辐射带宽可达16%DESIGN OF A COMPACT PIFA FOR MOBILE PHONES *B.C. Kim, J.D. Park , and H.D. Choi Radio DCS:Digital Cellular Sytem;PCS: Persona
