PIFA ( Planar Inverted F-shaped Antenna)天线即平面倒F形天线，因为整个天线的形状像个倒写的英文字母F而得名。多年来，多数手机天线都一直沿用这种传统的PIFA天线设计方案。目前，市面上可以看到的手机内置天线，其中有60% ~ 80%都是采用这种天线设计的。PIFA 天线的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体，并以一个大的地面作为反射面，辐射体上有两个互相靠近的引脚，分别用于接地和馈电。下图所示为一个工作于GSM 900和DCS 1800频段的双频PIFA天线实物。当实际工作时，天线安装在手机上，手机主板的地面作为天线的参考地。
PIFA天线的基本结构包括四个部分:接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线，其典型的结构如下图所示。其中，接地平面可以作为反射面，辐射单元是与接地平面平行的金属片，短路金属片用于连接辐射单元和接地平面，同轴馈线用于信号传输。
一方面，可以将PIFA天线看做是由线性倒F天线(即IFA天线)衍变而来的。对于IFA天线，其辐射单元、接地线都是细导体线，这样等效的射频分布电感较大，而分布电容较小，这就意味着天线具有较高的Q值和较窄的频带。根据电小天线Q值和带宽的关系，增大带宽的途径就是降低Q值，因此将IFA天线的细导线用具有一定宽度的金属片取代，这样可以增大分布电容和减小分布电感，从而增大天线带宽，这样就形成了PIFA 天线。
另一方面，也可以将PIFA天线视为一个具有短路连接的矩形微带天线，这种具有短路连接的矩形微带天线的实际共振模式与矩形微带天线的共振模式是一样的，它们都是共振在TM
10
_{10}
10模式。将短路金属片置于矩形辐射金属片和接地平面时，其可将矩形辐射金属片的长度减半，达到缩小天线尺寸的目的，而在短路金属片的位置TM
10
_{10}
10模式的电场是等于零的。当短路金属片宽度比辐射金属片窄时，天线的有效电感会增加且共振频率会低于传统的短路矩形微带天线，因此缩小短路金属片的宽度，还可以进一步缩小PIFA天线的尺寸。
短路金属片的宽度W对谐振频率有着显著的影响，下图给出了谐振频率随着短路金属片的宽度W的变化曲线。从图中可以看出，谐振频率会随着短路金属片宽度的增大而增大。也就是说，对于相同的谐振频率来说，短路金属片越窄，辐射金属片的面积也就越小，从而通过减小短路金属片的宽度可以进一步缩小天线的尺寸。
另外，改变辐射金属片的长宽比也可以改变谐振频率，下图给出了辐射金属片的长宽比(L
1
_1
1/L
2
_2
2) 对谐振频率的影响，从结果中可以看出，当其他宽度都固定，只改变L
1
_1
1的宽度，天线的谐振频率会随着L
1
_1
1/L
2
_2
2比值的增加而显著下降。
具体来说，前图所示为PIFA 天线的谐振频率和辐射金属片的宽度L
1
_1
1、长度L
2
_2
2，短路金属片的宽度W以及辐射金属片的高度H密切相关。当短路金属片的宽度W和辐射金属片的宽度L
1
_1
1相等，即W/L=1时，有:
λ
4
=
H
+
L
2
即
f
r
=
c
4
(
H
+
L
2
)
\frac{\lambda}{4}=H+L_{2} \quad \text { 即 } \quad f_{r}=\frac{c}{4\left(H+L_{2}\right)}
4λ=H+L2 即 fr=4(H+L2)c
当短路金属片的宽度W=0时，有:
λ
4
=
H
+
L
1
+
L
2
即
f
r
=
c
4
(
H
+
L
1
+
L
2
)
\frac{\lambda}{4}=H+L_{1}+L_{2} \quad \text { 即 } f_{r}=\frac{c}{4\left(H+L_{1}+L_{2}\right)}
4λ=H+L1+L2 即 fr=4(H+L1+L2)c
式中，
λ
\lambda
λ表示谐振波长，
f
r
f_{r}
fr表示谐振频率，c表示光速。
对于任意宽度W的短路金属片，谐振频率可以由下式计算:
f
r
=
r
f
1
+
(
1
−
r
)
f
2
L
1
⩽
L
2
f_{r}=r f_{1}+(1-r) f_{2} \quad L_{1} \leqslant L_{2}
fr=rf1+(1−r)f2L1⩽L2
或
f
r
=
r
k
f
1
+
(
1
−
r
k
)
f
2
L
1
>
L
2
f_{r}=r^{k} f_{1}+\left(1-r^{k}\right) f_{2} \quad L_{1}>L_{2}
fr=rkf1+(1−rk)f2L1>L2
式中
r
=
W
L
1
,
k
=
L
1
L
2
,
f
1
=
c
4
(
H
+
L
2
)
,
f
2
=
c
4
(
H
+
L
1
+
L
2
−
W
)
r=\frac{W}{L_{1}}, k=\frac{L_{1}}{L_{2}}, f_{1}=\frac{c}{4\left(H+L_{2}\right)}, f_{2}=\frac{c}{4\left(H+L_{1}+L_{2}-W\right)}
r=L1W,k=L2L1,f1=4(H+L2)c,f2=4(H+L1+L2−W)c
PIFA天线中对带宽起决定作用的结构参数是辐射金属片的高度H, PIFA 天线的带宽会随着辐射金属片高度H的增加而增加。下图给出了一个工作于900MHz的PIFA天线在电压驻波比小于2 (VSWR<2) 时的相对带宽和高度H之间的关系。从图中可以看出，随着高度H的增加，天线的相对带宽也会显著增加。但是增加H无疑会增大天线的体积，尤其对于像手机一样的手持终端设备，其对于整机的厚度有严格的限制，因此在天线设计时我们必须兼顾带宽和高度的要求。
短路金属片的宽度W除了会影响天线的谐振频率外，也会影响天线的带宽，基于前面所给出的的PIFA天线模型分析给出了短路金属片宽度W和天线相对带宽之间的关系，如下图所示。从该图的结果中可以看出，短路金属片宽度越窄，天线的相对带宽也会越小。
另外，PIFA天线接地平面的大小也会影响天线的带宽。例如，减小接地平面的面积通常能够加大天线的带宽。
不同辐射金属片和短路金属片尺寸PIFA天线对应的电流分布如下
从如图所示的PIFA天线电流分布中可以看出，当L
1
_1
1 - W<L
2
_2
2时，辐射金属片的主要电流都流往辐射金属片短边L
2
_2
2的开路处，当L
1
_1
1-W>L
2
_2
2时，辐射金属片的主要电流都流往辐射金属片长边L
1
_1
1的开路处。总之，随着短路金属片宽度W的逐渐减小，辐射金属片表面电流有效路径会逐渐增长，从而导致天线的谐振频率随之降低。也就是前面所说的，通过减小短路金属片的宽度可以进一步缩小天线的尺寸。
为了适应无线通信多频段工作，就需要天线实现多频段工作。对于PIFA天线实现多频段工作，我们可以通过使用双馈点或者在PIFA天线辐射金属片上采用开槽的技术来实现。使用双馈点时，调谐频率和调谐范围往往受到一定的限制，因此，在PIFA天线的实际设计中，多采用开槽的方式来实现多频工作。下图所示为多种开槽方案来实现双频或者多频工作，其中L形开槽和U形开槽是最常使用的，它们也是最简单的两种开槽。
L形开槽的PIFA天线辐射金属片如下图所示，通过开槽可以改变原先的电流路径，形成两个相对独立的电流回路,从而实现PIFA天线的双频工作。在L形开槽下，长度为L
1
_1
1、宽度为W
1
_1
1的矩形金属片作为辐射元1,产生低频谐振频率f
1
_1
1；长度为L
2
_2
2、宽度为W
2
_2
2的矩形金属片作为辐射元2，产生高频谐振频率f
2
_2
2。可知，低频谐振频率f
1
_1
1和高频谐振频率f
2
_2
2可以分别估算为:
f
1
=
c
4
(
H
+
L
1
+
W
1
)
f
2
=
c
4
(
H
+
L
2
+
W
2
)
\begin{array}{l} f_{1}=\frac{c}{4\left(H+L_{1}+W_{1}\right)} \\ f_{2}=\frac{c}{4\left(H+L_{2}+W_{2}\right)} \end{array}
f1=4(H+L1+W1)cf2=4(H+L2+W2)c
上述公式只具有近似的指导意义，不具有严格的意义。在实际设计时，天线的谐振频率会受到如下图所示的L
1
_1
1、W
1
_1
1、L
2
_2
2、W
2
_2
2、G
1
_1
1、G
2
_2
2和 t
1
_1
1等多个参数的影响,我们需要通过多次调试，才能得到理想的性能。
U形开槽的PIFA天线辐射金属片如下图所示，同样通过开槽可以改变原先的电流路径，形成两个相对独立的电流回路，从而实现PIFA天线的双频工作。在U形开槽下，长度为L
1
_1
1、宽度为W
1
_1
1的矩形金属片作为辐射元1，产生低频谐振频率f
1
_1
1；长度为L
2
_2
2、宽度为W
2
_2
2，的矩形金属片作为辐射元2，产生高频谐振频率f
2
_2
2。低频谐振频率f
1
_1
1和高频谐振频率f
2
_2
2可以分别估算为:
f
1
=
c
4
(
H
+
L
1
+
W
1
)
f
2
=
c
4
(
H
+
L
2
+
W
2
)
\begin{array}{l} f_{1}=\frac{c}{4\left(H+L_{1}+W_{1}\right)} \\ f_{2}=\frac{c}{4\left(H+L_{2}+W_{2}\right)} \end{array}
f1=4(H+L1+W1)cf2=4(H+L2+W2)c
和L形开槽类似，上述公式也是只具有近似的指导意义，不具有严格的意义。在实际设计时，天线的谐振频率会受到如下图所示的L
1
_1
1、W
1
_1
1、L
2
_2
2、W
2
_2
2、G
1
_1
1、G
2
_2
2和 t
1
_1
1等多个参数的影响，我们需要通过多次调试，才能得到理想的性能。
