倒F天线（IFA天线）原理与应用详解

倒F天线（IFA天线）原理与应用详解

IFA天线的基础知识

倒F天线（IFA天线）如图1所示。虽然这种天线最初是在线天线分析的基础上发展起来的，但它更准确地被归类为一种口径天线。

图1. 几何Inverted - F天线（IFA天线）。

馈电点位于IFA天线的上臂靠近地面平面的位置。IFA天线上臂的长度大约是四分之一波长。在图1所示的左侧，上臂通过电气方式连接到地面平面。馈电点接近短路针，而上臂则是开放的。这种天线的极化是垂直的，其辐射模式类似于甜甜圈（磁环）形状，轴向方向垂直于甜甜圈平面。地面平面的尺寸至少应为IFA天线长度（L）的宽度，且高度至少应为λ/4。如果地面平面的高度较小，带宽和效率将会降低。IFA天线的高度（H）应该是一个波长的一小部分。辐射特性和阻抗对参数（H）的依赖性不强。

由于其结构类似于倒F形状，这种天线被命名为“倒F天线”。

分析

为什么这种结构能够辐射？让我们回顾一下缝隙天线，如图2所示。

图2. 缝隙天线的几何结构。

缝隙天线应该是一个半波长的长度才能实现适当的辐射（更普遍的情况是，缝隙天线的周长应约为一个波长）。当天线被馈电（或电压源激励）时，缝隙两端的电压（跨越缝隙）必须为零，因为两边都是短路点。如果电压在缝隙边缘为零，那么在四分之一波长的距离处（即缝隙中心）电压将达到最大值。

现在，最大值在哪里？由于这种天线也可以被视为传输线，源基本上在两个方向上“看到”一个短路。根据传输线理论，当传输线短路时，电压和电流相位相差90度。因此，电流将在缝隙天线的中心为零，而在边缘达到最大值。电压和电流分布如图3所示（注意峰值电压假设为P伏，峰值电流为“A”安培）。

图3. 沿半波长缝隙天线的电压和电流分布。

缝隙天线能够辐射，因为电压在整个缝隙上保持同相，从而产生垂直于缝隙的电场。这也导致了垂直极化的产生。

这与IFA天线有何关系？关键点在于：如果电流在缝隙中心为零（如图3所示），那么缝隙天线可以被视为在缝隙中心有一个开路。因此，如果我们打破一半的缝隙，去除右侧部分，我们就得到了如图1所示的IFA天线。

请注意，IFA天线可以支持与缝隙天线相同的辐射模式。也就是说，由于IFA天线的馈电点右侧是开路，电流将在这一点为零，电压将达到最大值。这是与缝隙天线相同的情况。因此，IFA天线可以被视为“半个缝隙天线”。事实上，这是一个有效的辐射模式。因此，尽管开口不是“封闭”的，IFA天线仍被列为口径天线。

电路IFA模型（槽）天线

为了有效地辐射，我们需要一个良好的辐射结构。这意味着，电场或磁场应该同相。我们还需要能够将能量传输到天线。这意味着我们需要一个大约50欧姆的阻抗（典型值）。而要做到这一点，最好是使阻抗的无功分量（虚部）等于零。对于IFA或缝隙天线，馈电点看到的是一个短路传输线的一部分，其长度为波长的一小部分。短路的传输线会产生感性的无功分量。同样，IFA的开路会产生电容性的无功分量。因此，需要在馈电点右侧选择一个“平衡”电容，左侧选择一个电感。电感和电容相互抵消，只留下辐射电阻。一个等效电路模型如图4所示。

图4. IFA天线的电路模型。

请注意，图2中的缝隙天线，即使在右侧短路，仍然会产生一个电容，因为馈电点右侧的缝隙长度大于四分之一波长。

关于IFA或缝隙天线的实部阻抗，请注意，如果缝隙天线在中心馈电（最大电压，电流为零——Z = V/I），阻抗将接近无限大。因此，天线不会辐射。从中心馈电改为在缝隙的一侧馈电，这使得电流下降至零，从而使得阻抗下降到更理想值。对于IFA天线也是如此。因此，馈电点的位置是设计IFA天线的关键因素。可以通过实验过程中的天线设计轻松获得一个合适的馈电位置。

现实世界中的IFA天线实例

IFA天线因其体积小（四分之一波长）而在手机中得到广泛应用。一个例子是在Palm Pre手机中可见的IFA天线。这些天线在后盖被移除后清晰可见，如图5所示：

图5. Palm Pre手机卸下后盖后可见的天线。

图中黄色区域左侧是GPS天线，这是一个IFA天线。由于GPS频率为1.575 GHz，四分之一波长约为1.87英寸（4.75厘米）。这大约是实际产品中IFA天线的长度（经过适当调整）。

图5中还可见其他两个天线。右上方是分集天线。分集天线是一个只接收天线（不发射）。在设备底部是一个双频IFA天线。这种天线用于发射和接收蜂窝信号。该天线工作在900 MHz和1800 MHz频段。天线工程师通过使用高频段（1800 MHz）的较短臂（如图5所示），以及相同的馈电和短路针，实现了低频段（更长的臂，被包裹在另一臂分支周围）的辐射。由于设计师在手机中面临空间限制（这是手机天线设计的一大挑战），他们将IFA天线自身缠绕。通过这样做，他们能够获得所需的900 MHz IFA天线长度。然而，这种自身缠绕的天线设计会降低带宽和辐射效率。

综上所述，IFA天线因其体积小和便于制造而非常有用。在接下来的部分，我们将探讨开槽波导天线。