原创 采用容性负载以减小手机的PIFA(一)

要想缩小移动电话的体积，就需要使用更小的天线。移动电话比较有效的一种天线，就是用平板倒置F天线(PIFA)。非常幸运的是，已经证实，这个设计通过使用简单的顶部电容性负载，能够在电气性能没有什么降低的情况下，缩小体积。

已经应用的几种减小天线的方法，无不以降低天线增益和带宽为代价。这是由于这样的事实：天线是用来把有界波转变成辐射的无线电波的。自然地，当天线比设计波长短很多时，这种转变的效率就受损了。虽然信号水平的损失，常常可以用放大来补偿，但对于带宽就不行了。如果阻抗匹配得比要求的更好，可以用宽带技术来增加带宽。

对于手机而言，天线应该使用其全部可用的体积。而当体积固定时，小天线的设计则是在带宽和增益之间的一个折衷。

减小天线尺寸的一种方法，就是简单地缩短天线长度。然而这种方法会影响到天线端的阻抗，以致于发射阻抗变成电抗性阻抗。这可以用顶部电容性负载进行补偿。实践中，失去的天线高度由一个等价电路来代替，它改善了阻抗匹配和效率。这种方法已经普遍地使用在波长为几百米的低频天线场合。而在移动电话方面，应用很少。

电容性顶端负载的想法，以前在研究单极子和双极子的联系时，被讨论过。但在这里，该技术也适用于PIFA. 在许多实际应用中，一个集总电容，加上分布电容，被用作天线顶端负载。当PIFA的开路端构成平板电容的一个极时，使用一个分布式平板电容是合适的。

为了演示通过在顶部加载分布电容，从而缩小PIFA的尺寸的有效性， 我们设立一个中间目标：对于一个固定尺寸的天线，将其中心频率降低百分之三十三。对天线的发射特性，散射参数(scattering parameter)，近场分布(near-field distribution)，和电流分布，进行了模拟和测量验证。这些结果还与相同尺寸但加载电感的PIFA；以及60mm长的PIFA进行了对比。

该实验天线为长40mm、宽1.5mm、高5mm的PIFA，被安装在40×100mm的底板上。用Rohacel材料(ε_r=1.06)制作天线的支撑结构。天线处于边沿，并与100mm边平行(见图1)。

馈电点位于距边5mm处，而边沿做了一个90度的折弯，形成短路到地。在FIFA的开路端点和底板之间, 加入了不同长度的铜带(宽1.5mm)。电容两个极板之间的距离d，也就是PIFA的开路端到铜带的距离，如图1中所示。电容器的下平板由铜带形成，上平板由PIFA形成。

一个40mm长未加载的PIFA与加载后的天线相比，其中心频率有一定的升高。然而，这也提供了另一个与加载后的天线具有同样中心频率(最低|S11|)，而尺寸更大的未加载天线(60×1.5×5mm)的例子。这提供了当天线在具有与没有容性顶端负载情况下的实际对比。

对于60mm的PIFA，模拟出的中心频率(最低|S11|)是1.2G，也就是比40mm的PIFA的中心频率(1.8G)低百分之三十三。对这两种天线，测量到的最低反射系数时的频率，比仿真结果约低百分之十。差别的原因，可能是由于仿真模型与实际模型之间细微的差别。另外，仿真中的分辨力也可能产生一些差异(这里，综合结果是在每波长20格，和边沿格的条件下得到的)。

在图2施密斯圆图(Smith chart)中表示的40mm天线的阻抗曲线，表明了中心频率(最低|S11|，1.8G)的位置的返回损耗是6dB(1.78GHz和1.87GHz)；它也表示了另一个天线的中心频率(1.2G)。对60mm天线也做了同样的表示。在40mm PIFA天线的情况下，通过对天线适当地加载，就是要从圆图中1.2GHz的位置移动到1.8GHz的位置。对于40mm长PIFA的中心频率(最低|S11|)，从1.8GHz降低到1.2GHz，是通过电容实现的。该频率的降低，对应尺寸减少百分之三十三，从60mm到40mm。

在两个不同的仿真试验中，利用了平板电容的形成原理。首先，固定平板面积为40×1.5mm；平板距离，d，从0.05mm变化到0.60mm。其后，距离固定在 d="0".1 mm，而面积从0.8mm变化到9.0 mm。图2中按照电容量为升序，显示了由两板面积，A，和板间距，d，决定的电容量。电容量可以通过下式来计算：

C=Aε₀ε_r/d (1)

其中ε₀ 是介电常数，等于8.8542×10^-12F/m。

尽管在原型中使用了粘带作为分隔物，但相对介电常数ε_r仍设为1。这意味着测量到的值，比模拟值要大。这样，使用了范围从0.13 pF到2.13pF的叠加电容。按照仿真范围内的平板面积，和间距制作了实际模型。在图3和图4中，给出了改变平板电容时(表1)的仿真结果，用实线表示；而实测值用叉线表示。图中加入了线性趋势线，以便更好地观察随着电容量的变化，结果所发生的变化。

作者：Jesper Thaysen，Kaj B. Jakobsen