摘要：平面倒F型天线一般指的是单端口馈电的平面倒F型天线。本文简述如何在单端口馈电的平面倒F型天线的基础上，将其改造成为差分馈电的平面倒F型天线，并对其实现小型化设计的巧妙方法。
一．引言
平面倒F型天线（Planar Inverted F Antenna， PIFA）常被认为由线状倒F型天线（Inverted F Antenna，IFA）或短路微带天线（Shorted Patch Antenna，SPA）演变而来1，2。平面倒F型天线型天线因具有体积小、极化分集、特定能量吸收率易达标等优点，所以在早期的移动通信终端侧得到广泛应用而变得闻名遐迩3，4。
差分化著名的单端口天线是作者近年来天线研究的一个重要方向5。单端口平面倒F型天线是我们差分化改造的第一个对象6，早于文献5中介绍的差分化改造短路微带天线与微带馈电的缝隙天线。邵子剑博士与作者得到的差分平面倒F型天线（Differential Planar Inverted F Antenna， DPIFA）不论是结构上，还是工作机理上都完全不同于已有的差分平面倒F型天线7，8。
二．单端口平面倒F型天线
单端口平面倒F型天线结构如图1所示。它是由一个部分短路的微带贴片和介质基板组成。其中辐射片长宽分别设为l和w，天线基板尺寸设为lg ×wg×h，基板背面印有金属化地板。辐射片通过一排金属化通孔与天线地板相连，并由半径为r的探针进行馈电，馈点位置坐标设为(xs, ys)。金属化通孔半径设为p，通孔间距设为d。单端口平面倒F型天线谐振频率的计算公式及设计方法可以参考文献4。 ![]()
图1 单端口平面倒F型天线：
三．差分平面倒F型天线
基于单端口平面倒F型天线改造成的差分平面倒F型天线结构如图2所示。差分化首先需要将辐射片沿中心线用间隙分开，接着在对角方向上增加一排金属化通孔，最后增加一根馈电探针就实现了结构对称的差分平面倒F型天线。需要说明的是，为了保持原有的谐振频率，差分平面倒F型天线的短路柱数量需要重新调整。
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图2 差分平面倒F型天线：
(a) 三维结构示意图；(b) 辐射片示意图
在差分平面倒F型天线中，间隙会引入耦合电容进而影响天线的谐振频率。假设天线横截面上的电场为准静态场并将间隙两侧视为耦合微带线，则可以画出图3所示的差分平面倒F型天线横截面等效示意图。如图所示，间隙引入的耦合电容可以等效为微带贴片宽度的拓展。因此，在计算天线谐振频率时可以将等效后的半个差分平面倒F型天线视为孤立的单端口平面倒F型天线。![]()
图4给出了可实现差分平面倒F型天线小型化的弯折型间隙设计方案。如图4所示，通过将间隙靠近短路边可以使辐射片上的电流路径延长进而降低天线的谐振频率实现小型化。
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图5所示的是基于FR4材料与普通印刷电路板工艺加工的工作在2.45GHz频段的单端口、差分与小型化差分平面倒F型天线实物照片。单端口与差分平面倒F型天线辐射片尺寸为12.5×12.5平方毫米。小型化差分平面倒F型天线辐射片尺寸为10×10平方毫米。表1列出仿真与实测结果。对比发现仿真与实测结果吻合较好，从而表明设计的可行性。![]()
表1 仿真与实测结果
指标 | 天线 | 仿真 | 实测 |
阻抗带宽 | 单端口 | 1.48% | 1.49% |
差分 | 1.50% | 1.50% |
小型化差分 | 1.53% | 1.74% |
辐射效率 | 单端口 | 9.67% | 9.95% |
差分 | 10.71% | 10.42% |
小型化差分 | 6.66% | 5.81% |
增益 dBi | 单端口 | −4.6 | −4.7 |
差分 | −3.9 | −4.2 |
小型化差分 | −6.0 | −6.8 |
本文简述了如何将单端口馈电的平面倒F型天线改造成为差分馈电的及小型化的平面倒F型天线。本文也给出了基于FR4材料与标准印刷电路板工艺加工的差分与单端口平面倒F型天线在相同尺寸和工作频率下的对比研究结果。结论是差分平面倒F型天线相较于单端口平面倒F型天线具有相近的带宽、增益和辐射效率以及更对称的方向图。差分馈电的及小型化的平面倒F型天线有望在物联网中得到应用。
参考文献
1. R. W. P. King, C. W. Harrison, and D. H. Denton, “Transmission line missile antennas,” IRE Trans. Antennas Propag., vol. AP-42, pp. 88–90, Jan. 1960.2. R. C. W. Garvin, E. Munson, L. T. Ostwald, and K. G. Shroeder, “Missile base mounted microstrip antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-25, no. 5, pp. 604–610, Sep. 1977.3. T. Taga, K. Tsunekawa, “Performance analysis of a built-in planar inverted F antenna for 800 MHz band portable radio units,” IEEE J. Selected Areas Commun., vol. 5, no. 5, pp. 921-929, May 1987. 4. T. Taga, “Analysis of planar inverted-F antennas and antenna design for portable radio equipment,” Analysis, Design and Measurement of Small and Low-Profile Antennas, K. Hirasawa and M. Haneishi, Eds. Norwood, MA: Artech House, 1992, pp. 161-180.5. 关凹凸，差分天线新概念， The Antennas Academy 微信公众号， 2023年9月11日6. K. Ogawa, H. Iwai, Y. Koyanagi, “Balance-fed planar built-in antenna,” Electron. Lett., vol. 37, no. 8, pp. 476-478, Apr. 2001.7. K. M. Chan, E. Lee, T. Y. Lee, P. Gardner, T. Dodgson, “Aperture coupled, differentially fed planar inverted F antenna,” Electron. Lett., vol. 42, no. 11, pp. 608-609, May. 2006.8. Z. Shao, Y. P. Zhang, “Miniaturization of differentially-driven microstrip planar inverted F antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 67, no. 2, pp. 1280-1283, Feb. 2019.
