接地平面對(duì)PIFA天線性能的影響.docx

接地平面對(duì)PIFA天線性能的影響接地平面對(duì)PIFA天線性能的影響 摘要:PIFA天線在便攜式設(shè)備中是很流行的，因?yàn)樗暮线m的尺寸和低成本。PIFA天線的設(shè)計(jì)是有一個(gè)接地平面的，并且這個(gè)接地平面是天線的核心部分。事實(shí)上，接地平面的尺寸是PIFA天線在許多應(yīng)用中的限制因素。一些已經(jīng)被報(bào)道的PIFA天線的工作性能都是安裝在一個(gè)固定大小的盒子里的。但是，缺少的是對(duì)天線參數(shù)和天線在一個(gè)有限的接地平面上的幾何位置的取向?qū)μ炀€功能的研究。這篇文章的結(jié)果是基于一個(gè)便攜式PIFA天線在各種不同的大小和形狀上復(fù)雜的研究綜合而來(lái)的。固定天線改變它的幾何方向的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被分析過(guò)了。接地平面的幾何影響在以下幾方面，即地面平面幾何的諧振頻率，帶寬，增益，以及已經(jīng)被介紹過(guò)的輻射模式。這個(gè)結(jié)果在設(shè)計(jì)一PIFA天線的應(yīng)用并且需要一個(gè)小的接地平面時(shí)，是很有用的。具體來(lái)說(shuō)，結(jié)果顯示了PIFA天線的幾何形狀、接地平面的尺寸和它們的電磁學(xué)表現(xiàn)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了數(shù)據(jù)模擬結(jié)果。 1. 介紹 關(guān)于天線的接地平面尺寸的研究要追溯到19世紀(jì)6 0年代(1-6)。許多工作都集中在基于一個(gè)有限的圓形的接地平面的單級(jí)子天線的特性的研究。后來(lái)，一些其他類型的天線的接地平面的影響也開始被發(fā)現(xiàn)，包括微帶天線(7-9)?，F(xiàn)在的許多研究要求天線是安裝在一個(gè)小的接地平面上的，比如說(shuō)手持的通信設(shè)備。最流行的接地平面模型是所謂的完美天線，它假定這個(gè)平面是導(dǎo)體，平面并且是無(wú)限的。然 - 后一起，圖像理論在分析時(shí)可以去除接地平面。真正的接地平面一般都是金屬的，具有平面形狀，和有限的。有限的平面使結(jié)果與完美平面不同。因此，在無(wú)限平面上的天線的接地平面在大多數(shù)應(yīng)用中都是不夠準(zhǔn)確的?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)接地平面不足夠大到與輻射尺寸相符時(shí)，電磁現(xiàn)象往往會(huì)與有限的接地平面的結(jié)果不同。 PIFA天線在小型交流終端中很流行，比如說(shuō)手持對(duì)講機(jī)，是因?yàn)樗梢愿采w廣泛的無(wú)限通信頻帶和它的低成本。PIFA天線要求一個(gè)接地平面，與此同時(shí)，這個(gè)接地平面必須足夠小到適用于手提終端。一些研究PIFA天線的工作是安裝在一個(gè)固定大小的盒子里的(11)。但是，PIFA天線的參數(shù)研究，關(guān)于接地平面的大小，或者在有限平面上天線的位置和方向的研究并沒(méi)有被報(bào)道過(guò)。這篇文章討論的結(jié)果是經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的調(diào)查研究的，將PIFA天線安裝在一個(gè)常規(guī)平面上，并且取各種大小和形狀。接地平面的幾何影響在以下幾方面，即地面平面幾何的諧振頻率，帶寬，增益，以及已經(jīng)被介紹過(guò)的輻射模式。得到的數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)一個(gè)要求小接地平面的PIFA天線的應(yīng)用中是很有用的。特別的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了數(shù)據(jù)模擬結(jié)果。 2. 接地平面對(duì)傳統(tǒng)PIFA天線性能的影響 性能參數(shù)共振頻率，電阻抗頻帶寬度有少于兩個(gè)的VSWR(電壓駐波比)，探針位置，并且決定使用來(lái)自西蘭島的商業(yè)矩量法(動(dòng)差法)軟件包IE3D。 圖片2和3代表的是一個(gè)有PCS頻帶的底板長(zhǎng)度L=80mm的PIFA的阻抗特性。例如，下面實(shí)驗(yàn)的仿真共振頻率是2.62%，如圖3.數(shù)值 - 和實(shí)驗(yàn)值有極好的共同性。使矩量法的準(zhǔn)確性有了保證。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)值在圖4和5上，圖6顯示的是共振頻率。 以前的工作 16 表明關(guān)于無(wú)限地平面天線的阻抗振蕩的值隨著地平面尺寸的增加而增加，最終趨于完美地平面的阻抗。天線的自諧振頻率和阻抗帶寬的阻抗的關(guān)系，他們有同樣的行為;這在圖4和圖5中表明，圖4表明的重要結(jié)論，天線的接地平面尺寸對(duì)諧振頻率的影響不顯著直到在接地平面低于約0.2。然而，圖5表明地面平面尺寸對(duì)帶寬的影響。流行的無(wú)線頻段需要約8%的帶寬和帶寬是由一方形平面L=0.8地平面的實(shí)現(xiàn);見(jiàn)圖5。這在接地平面的大小可以限制在PIFA的設(shè)計(jì)因素。天線的輻射模式安裝在每個(gè)接地平面的中心計(jì)算共振檢查的輻射特性。模式也使用弗吉尼亞理工大學(xué)室內(nèi)電波暗室進(jìn)行了測(cè)量，將PIFA天線安裝在一個(gè)方形平面尺寸為L(zhǎng)=80毫米(0.5)。正如圖6所示，有良好的協(xié)議之間的測(cè)量模式與IE3D仿真。這給使用IE3D檢查天線參數(shù)影響的信心。 圖7顯示了計(jì)算EY組件在X Z平面為幾個(gè)地面平面尺寸。對(duì)于無(wú)限地平面的情況下，當(dāng)接地平面尺寸為PIFA上板一樣，最大的方向性出現(xiàn)在地平線上，由于天線的行為像一個(gè)短單極子和一個(gè)短偶極子，分別，這是已知的輻射功率從短路板元件的電流集中。在其他情況下，峰的方向性方向，從=315o 到=335o當(dāng)?shù)孛嫫矫娉叽缡切∮谝粋€(gè)波長(zhǎng)的變化。 邊緣衍射由于有限的地面平面介紹高交叉極化，如圖8所示。對(duì)于無(wú)限大地平面的情況下，當(dāng)?shù)孛嫫矫娉叽纾习逡粯?，PIFA極化在 - 他們的方向是完全線性的，類似于一個(gè)偶極子，和沒(méi)有交叉極化出現(xiàn)在f-方向。然而，交叉極化出現(xiàn)其他地面平面尺 寸，可以成為顯著的，如圖8所示。值得注意的是，高交叉極化可以有用的應(yīng)用中的天線的位置是隨機(jī)的，如手持式需要線性極化響應(yīng)性能好所有方向的裝置。 指向性，采取的是等于增益，計(jì)算使用IE3D和繪制在圖9作為一個(gè)地平面尺寸函數(shù)。可以看出，增益是強(qiáng)烈的地面平面尺寸的影響，而不是與地面平面尺寸均勻增加，依賴是復(fù)雜的。增益是最低的時(shí)候，接地平面的大小是相比于PIFA的上板尺寸。隨著地面平面尺寸的增加，峰值增益的增加，在L=0.9為小于一個(gè)波長(zhǎng)地面平面尺寸達(dá)到最大。在該尺寸的增益為4.45 dB，這是接近無(wú)限大地平面增益。大多數(shù)無(wú)線手持應(yīng)用，3 dB的增益通常是必需的。達(dá)到3 dB的增益，天線接地平面的大小應(yīng)至少一半波長(zhǎng)(L=0.5);見(jiàn)圖9。 前面討論的傳統(tǒng)的PIFA天線是建立在一個(gè)正方形接地平面上的。矩形接地平面的構(gòu)型也被模型化了，并且顯示了和正方形接地平面相同的結(jié)果。對(duì)于接地平面的大小形狀在對(duì)共振頻率、帶寬和增益的影響也進(jìn)行了模擬，并且由模擬小于一個(gè)波長(zhǎng)的接地平面獲得了結(jié)果。固定PIFA大小，你可以選擇最優(yōu)特征或改變接地平面的共振頻率通過(guò)調(diào)整它的大小。為了獲得最佳性能，接地平面應(yīng)該有一個(gè)長(zhǎng)度L為0.45，防止PIFA的短路板平行于長(zhǎng)于接地平面的邊緣，和一個(gè)L為0.85的，防止短路板平行于短于接地平面的邊緣。這些尺寸為大的寬帶和方向性提供了共振頻率。類似的，在正方形接地平面的情況下 - 也有這些特征，如圖4 ，5,9所示。 對(duì)安裝在不同位置和不同方向上的接地平面的PIFA天線的特征也進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明，要獲得有一個(gè)高增益和大帶寬的最優(yōu)性能，PIFA應(yīng)該被放置在一個(gè)接近角落的接地平面里，并且有一個(gè)比接地平面邊緣短的短板。 3. 結(jié)論 在對(duì)安裝在有限接地平面上的PIFA天線的調(diào)查時(shí)，在研=研究接地平面的大小和方向時(shí)，IE3D被廣泛的使用與仿真和測(cè)量。由仿真和測(cè)量顯示的結(jié)果決定了很好的電磁表現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)特定的電磁性能，這個(gè)結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，追求一個(gè)最小的接地平面是很有意義的。 1. 除非接地平面的尺寸小于一個(gè)特定的值，當(dāng)L<0.2，否則接地平面的大小和形狀 對(duì)天線的諧振頻率沒(méi)有影響。 2. 在正方形接地平面的情況下，L<0.8時(shí)，在矩形接地平面下，L<0.4時(shí)，帶寬較 低。 3. 當(dāng)接地平面的尺寸L<0.4時(shí)，才會(huì)有所收獲。 4. 接地平面的大小顯著影響天線的輻射模式 5. 有限的小接地平面介紹了高的接地平面的平面交叉極化。 對(duì)固定了大小和方向的PIFA天線的接地平面進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)PIFA天線應(yīng)該被安裝在接近角落的接地平面上，在接地平面的短路板邊緣可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)增益和帶寬性能。 - 圖1:PIFA廣場(chǎng)導(dǎo)電板的幾何圖G=20mm，短路版的寬和高分別為S=5mm，H=10mm，安裝在有限的廣場(chǎng)底板上，尺寸為L(zhǎng) 圖2:史密斯圓圈顯示圖1的PIFA的計(jì)算和測(cè)量的阻抗值，該P(yáng)IFA安裝在長(zhǎng)80mm的底板中心，探針饋電距離短路板 2.1mm 圖3:傳統(tǒng)的圖1 PIFA的VSWR計(jì)算值和測(cè)量值，該P(yáng)IFA安裝在長(zhǎng)80mm的底板中心，探針饋電距離短路板2.1mm 圖4:傳統(tǒng)的圖1PIFA的共振頻率的計(jì)算和測(cè)量值通過(guò)改變底板尺寸從而改變波長(zhǎng) 圖5:傳統(tǒng)的圖1 PIFA，阻抗帶寬為2:1的VSWR的計(jì)算和測(cè)量值通過(guò)改變底板尺寸從而改變波長(zhǎng) 圖6:直線是計(jì)算結(jié)果，虛線是測(cè)量結(jié)果，圖1顯示了PIFA天線的正常輻射模式的共振，建立在一個(gè)正方形接地平面上，在你正面圖中，它的尺寸是L=80mm(a)， 圖7 計(jì)算元件的輻射模式共振對(duì)于圖1的PIFA(觀察表1中每種情況的共振頻率) 對(duì)于接地平面尺寸為L(zhǎng)=20毫米 ，L=140毫米，L=60 毫米