使用 PIFA 解決小型產品、小型天線的難題

除了少數例外，所有一般用途的天線，從穿戴式裝置的小型天線到大型的廣播天線，都是兩種基本天線類型的延伸、增強和改裝。一個是無接地參考的平衡半波長雙極天線 (赫茲天線)，另一個是與接地面成直角的電氣不平衡四分之一波長單極天線 (馬可尼天線) (圖 1)。

圖 1：半波雙極天線和四分之一波單極天線，幾乎是所有先進天線配置的構件組塊。(圖片來源：EnOcean)

當然，在大型商用飛機等現代系統中，僅憑一種天線類型或配置是無法滿足全部所需的頻段和角色 (圖 2)。

圖 2：現代飛機需要大量和多種類型的天線，方可滿足其須支援的各種功能和頻段。(圖片來源：由 Boeing 發佈於 SWLing Post 網站)

工程師已採用這兩種天線類型為起點，設計出無數個變化版本來滿足相關應用的需求和優先要務。現今的許多應用 (例如智慧型手機或物聯網 (IoT) 元件) 都需要微型的天線，不但要能完全裝進小型外殼中，還能運作於多個頻段。傳統無線對講機，甚至是早期手機的外接「鞭型」天線，都無法滿足這些要求 (圖 3)。

圖 3：這款 Motorola MicroTAC Classic 於 1991 年上市，是最早取得成功的一款手機，其使用可延長的鞭型 (單極) 天線來支援單一 RF 頻段。(圖片來源：CNN)

不僅僅是大型飛機等系統需要單憑一個外接式或內建天線無法滿足的多頻段功能。即使是比較過時的智慧型手機 (如 10 年前的 Samsung Galaxy)，也需要通過六個不同的天線來支援不同的頻率和模式，這導致底部的導電平面 (接地面) 覆蓋整個手機的長寬範圍 (圖 4)。

其手機天線如下所示：1：2.6 GHz WiMAX 發射／接收 (Tx/Rx) 天線；2：2.6 GHz WiMAX 天線，僅限 Rx (用作分集天線)；3：Wi-Fi／藍牙 Tx/Rx 天線；4：Cell/PCS CDMA/EVDO Tx/Rx 天線；5：Cell/PCS CDMA/EVDO 僅限 Rx (用作分集天線)；6：GPS 天線僅限 Rx。

圖 4：2011 款 Samsung Galaxy S 嵌入了六個不同的天線。(圖片來源：RAYmaps)

IFA 演進成為 PIFA

無論是單天線還是多天線，一個解決天線難題的辦法是找到以單極或雙極為基礎的新配置，但又不會受到基本外形尺寸的限制。而這正是平面倒 F 形天線 (PIFA) 的優勢所在。

什麼是 PIFA？這要從 1958 年推出的倒 F 形天線 (IFA) 開始說起。此種天線是從基本單極天線和塊狀天線變體演變而來的第三代版本 (圖 5)。它從側面看有點像字母「F」，因此以 F 來命名。

圖 5：經典的單極天線已歷經幾個演變階段，IFA 是第三個階段，緊接在 PIFA 之前。(圖片來源：European Union Digital Library)

在其佈局中，單極元件與接地面平行，一端接地且阻抗較低，大約為幾十歐姆。經典基饋式 (base-fed) λ/4 波長單極天線的典型阻抗為 36.5 Ω。

天線饋源位於距離接地端不遠的中間點。透過調整饋源的位置，以及其他的「修修整整」，可以使天線阻抗與功率放大器 (PA) 饋源相匹配，使之成為高效的輻射器，而無需使用額外的匹配元件。

最初的倒 F 形天線使用彎曲的電線作為單極。藉著在緊鄰接地面的正上方使用扁平元件，且在兩者之間安插一支短路引腳，IFA 即被修改成 PIFA。PIFA 由幾個基本尺寸定義 (圖 6)。

圖 6：PIFA (左) 是改良的 IFA，其在接地面上方使用一個扁平元件，而不是彎曲的電線；它有幾個關鍵尺寸 (右)。(圖片來源：Springer Nature; European Union Digital Library)

除了在四分之一波長處產生諧振，從而減少天線所需的空間之外，PIFA 還具有其他理想的天線特性，包括超薄和全向模式等。在第一階分析中，PIFA 的關鍵諧振頻率 f_r 是由幾個基本尺寸和簡易方程式所決定，其中 λ 是波長，ε_r 是介電常數，c 是光速 (圖 7)。

圖 7：這三個相對簡單的方程式使用 PIFA 的尺寸及一些物理常數，來計算 PIFA 諧振頻率的第一階分析。(圖片來源：European Union Digital Library)

當然，完整的電磁場分析還須在這些方程式之外考量邊緣、材料厚度、鄰近元件及其他實際因素所造成的效應。

現成的 PIFA 簡化了導入設計

PIFA 可以使用微帶印刷電路板 (pc) 技術來製造。但是，使用電路板作為接地面，在實踐中會有難度，因為這會增加電路板的大小，限制電路板的佈局，並降低設計人員可以衡量取捨的自由度。相反地，設計人員可以使用標準 PIFA，作為已有定義效能和屬性的完整即用型元件。這些元件不需要使用電路板空間作為底層接地面，甚至能讓設計人員利用電路板上方的空間。

例如，Taoglas 的 FXUWB20.01.0100C 是一款小尺寸、靈活超薄的 PIFA，適用於 3 至 5 GHz 和 6 至 10 GHz 超廣頻 (UWB) 的設計 (圖 8)。其尺寸為 35 × 24.5 × 0.2 mm，並且能以簡單的「隨剝隨貼」方式，使用 3M 黏著劑貼附在非金屬表面上。它可讓設計人員僅使用一個天線，就能同時涵蓋從 1 至 15 的全部 UWB 商用頻段。

圖 8：FXUWB20.01.0100C PIFA 天線適用於 3 至 10 GHz，其尺寸為 35 × 24.5 × 0.2 mm，專門用於 1 至 15 商用頻段的 UWB 應用。(圖片來源：Taoglas)

天線與電路板之間的電氣連接非常簡單，這是因為其採用 100 mm 長的整合式同軸纜線，並以 1.37 mm SMA 公接頭進行端接。天線可拒絕商用 UWB 頻道中 3 至 10 GHz 寬廣範圍內的 5.8 GHz Wi-Fi 訊號 (圖 9)。

圖 9：FXUWB20.01.0100C UWB PIFA 天線適用於 3 至 10 GHz 的頻譜，並在 5.8 GHz 處具有增益陷波，可衰減不想要的 Wi-Fi 訊號。(圖片來源：Taoglas)

結論

天線是無線傳感器的關鍵電路。天線有無數種形式，大多數以單極和雙極配置為基礎。PIFA 版本小巧、扁平，並且效能出色。儘管 PIFA 可以使用產品的電路板作為其接地面，但完整的 PIFA 可以用作易於安裝的離散元件，能夠進行靈活的佈局和安裝。

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《天線設計與整合基礎知識》

https://www.digikey.tw/zh/videos/d/digi-international/antenna-design-and-integration-fundamentals

《挑選天線要考量諸多因素》

https://www.digikey.tw/zh/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

《機箱內的天線匹配：理論和原則》

https://www.digikey.tw/zh/articles/antenna-matching-within-an-enclosure-theory-and-principle

《瞭解天線規格及其運作：第一篇》

https://www.digikey.tw/zh/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

《瞭解天線規格及其運作：第二篇》

https://www.digikey.tw/zh/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

《實現 RF 效能和認證》

https://www.digikey.tw/zh/articles/achieving-rf-performance-and-approvals

參考資料

1. EnOcean, Application Note 102, “Antenna Basics – Basic Antenna Design Considerations for EnOcean based Products”
2. RAYmaps, “Antennas on Samsung Galaxy S”
3. Antenna-Theory.com, “Inverted-F Antenna (IFA)”
4. Antenna-Theory.com, “PIFA - The Planar Inverted-F Antenna”
5. European Union Digital Library, “Multiband Planar Inverted F Antenna (PIFA) for ISM, WLAN and WiMAX Applications”