接地平面对PIFA天线性能的影响.docx

接地平面对PIFA天线性能的影响接地平面对PIFA天线性能的影响 摘要:PIFA天线在便携式设备中是很流行的，因为它的合适的尺寸和低成本。PIFA天线的设计是有一个接地平面的，并且这个接地平面是天线的核心部分。事实上，接地平面的尺寸是PIFA天线在许多应用中的限制因素。一些已经被报道的PIFA天线的工作性能都是安装在一个固定大小的盒子里的。但是，缺少的是对天线参数和天线在一个有限的接地平面上的几何位置的取向对天线功能的研究。这篇文章的结果是基于一个便携式PIFA天线在各种不同的大小和形状上复杂的研究综合而来的。固定天线改变它的几何方向的实验已经被分析过了。接地平面的几何影响在以下几方面，即地面平面几何的谐振频率，带宽，增益，以及已经被介绍过的辐射模式。这个结果在设计一PIFA天线的应用并且需要一个小的接地平面时，是很有用的。具体来说，结果显示了PIFA天线的几何形状、接地平面的尺寸和它们的电磁学表现之间的关系。实验数据给出了数据模拟结果。 1. 介绍 关于天线的接地平面尺寸的研究要追溯到19世纪6 0年代(1-6)。许多工作都集中在基于一个有限的圆形的接地平面的单级子天线的特性的研究。后来，一些其他类型的天线的接地平面的影响也开始被发现，包括微带天线(7-9)。现在的许多研究要求天线是安装在一个小的接地平面上的，比如说手持的通信设备。最流行的接地平面模型是所谓的完美天线，它假定这个平面是导体，平面并且是无限的。然 - 后一起，图像理论在分析时可以去除接地平面。真正的接地平面一般都是金属的，具有平面形状，和有限的。有限的平面使结果与完美平面不同。因此，在无限平面上的天线的接地平面在大多数应用中都是不够准确的。总的来说，当接地平面不足够大到与辐射尺寸相符时，电磁现象往往会与有限的接地平面的结果不同。 PIFA天线在小型交流终端中很流行，比如说手持对讲机，是因为它可以覆盖广泛的无限通信频带和它的低成本。PIFA天线要求一个接地平面，与此同时，这个接地平面必须足够小到适用于手提终端。一些研究PIFA天线的工作是安装在一个固定大小的盒子里的(11)。但是，PIFA天线的参数研究，关于接地平面的大小，或者在有限平面上天线的位置和方向的研究并没有被报道过。这篇文章讨论的结果是经过一系列复杂的调查研究的，将PIFA天线安装在一个常规平面上，并且取各种大小和形状。接地平面的几何影响在以下几方面，即地面平面几何的谐振频率，带宽，增益，以及已经被介绍过的辐射模式。得到的数据在设计一个要求小接地平面的PIFA天线的应用中是很有用的。特别的，实验数据给出了数据模拟结果。 2. 接地平面对传统PIFA天线性能的影响 性能参数共振频率，电阻抗频带宽度有少于两个的VSWR(电压驻波比)，探针位置，并且决定使用来自西兰岛的商业矩量法(动差法)软件包IE3D。 图片2和3代表的是一个有PCS频带的底板长度L=80mm的PIFA的阻抗特性。例如，下面实验的仿真共振频率是2.62%，如图3.数值 - 和实验值有极好的共同性。使矩量法的准确性有了保证。数值和实验值在图4和5上，图6显示的是共振频率。 以前的工作 16 表明关于无限地平面天线的阻抗振荡的值随着地平面尺寸的增加而增加，最终趋于完美地平面的阻抗。天线的自谐振频率和阻抗带宽的阻抗的关系，他们有同样的行为;这在图4和图5中表明，图4表明的重要结论，天线的接地平面尺寸对谐振频率的影响不显著直到在接地平面低于约0.2。然而，图5表明地面平面尺寸对带宽的影响。流行的无线频段需要约8%的带宽和带宽是由一方形平面L=0.8地平面的实现;见图5。这在接地平面的大小可以限制在PIFA的设计因素。天线的辐射模式安装在每个接地平面的中心计算共振检查的辐射特性。模式也使用弗吉尼亚理工大学室内电波暗室进行了测量，将PIFA天线安装在一个方形平面尺寸为L=80毫米(0.5)。正如图6所示，有良好的协议之间的测量模式与IE3D仿真。这给使用IE3D检查天线参数影响的信心。 图7显示了计算EY组件在X Z平面为几个地面平面尺寸。对于无限地平面的情况下，当接地平面尺寸为PIFA上板一样，最大的方向性出现在地平线上，由于天线的行为像一个短单极子和一个短偶极子，分别，这是已知的辐射功率从短路板元件的电流集中。在其他情况下，峰的方向性方向，从=315o 到=335o当地面平面尺寸是小于一个波长的变化。 边缘衍射由于有限的地面平面介绍高交叉极化，如图8所示。对于无限大地平面的情况下，当地面平面尺寸，上板一样，PIFA极化在 - 他们的方向是完全线性的，类似于一个偶极子，和没有交叉极化出现在f-方向。然而，交叉极化出现其他地面平面尺 寸，可以成为显着的，如图8所示。值得注意的是，高交叉极化可以有用的应用中的天线的位置是随机的，如手持式需要线性极化响应性能好所有方向的装置。 指向性，采取的是等于增益，计算使用IE3D和绘制在图9作为一个地平面尺寸函数。可以看出，增益是强烈的地面平面尺寸的影响，而不是与地面平面尺寸均匀增加，依赖是复杂的。增益是最低的时候，接地平面的大小是相比于PIFA的上板尺寸。随着地面平面尺寸的增加，峰值增益的增加，在L=0.9为小于一个波长地面平面尺寸达到最大。在该尺寸的增益为4.45 dB，这是接近无限大地平面增益。大多数无线手持应用，3 dB的增益通常是必需的。达到3 dB的增益，天线接地平面的大小应至少一半波长(L=0.5);见图9。 前面讨论的传统的PIFA天线是建立在一个正方形接地平面上的。矩形接地平面的构型也被模型化了，并且显示了和正方形接地平面相同的结果。对于接地平面的大小形状在对共振频率、带宽和增益的影响也进行了模拟，并且由模拟小于一个波长的接地平面获得了结果。固定PIFA大小，你可以选择最优特征或改变接地平面的共振频率通过调整它的大小。为了获得最佳性能，接地平面应该有一个长度L为0.45，防止PIFA的短路板平行于长于接地平面的边缘，和一个L为0.85的，防止短路板平行于短于接地平面的边缘。这些尺寸为大的宽带和方向性提供了共振频率。类似的，在正方形接地平面的情况下 - 也有这些特征，如图4 ，5,9所示。 对安装在不同位置和不同方向上的接地平面的PIFA天线的特征也进行了调查。结果表明，要获得有一个高增益和大带宽的最优性能，PIFA应该被放置在一个接近角落的接地平面里，并且有一个比接地平面边缘短的短板。 3. 结论 在对安装在有限接地平面上的PIFA天线的调查时，在研=研究接地平面的大小和方向时，IE3D被广泛的使用与仿真和测量。由仿真和测量显示的结果决定了很好的电磁表现。为实现特定的电磁性能，这个结果对于设计师来说，追求一个最小的接地平面是很有意义的。 1. 除非接地平面的尺寸小于一个特定的值，当L<0.2，否则接地平面的大小和形状 对天线的谐振频率没有影响。 2. 在正方形接地平面的情况下，L<0.8时，在矩形接地平面下，L<0.4时，带宽较 低。 3. 当接地平面的尺寸L<0.4时，才会有所收获。 4. 接地平面的大小显著影响天线的辐射模式 5. 有限的小接地平面介绍了高的接地平面的平面交叉极化。 对固定了大小和方向的PIFA天线的接地平面进行了研究。发现PIFA天线应该被安装在接近角落的接地平面上，在接地平面的短路板边缘可以实现最优增益和带宽性能。 - 图1:PIFA广场导电板的几何图G=20mm，短路版的宽和高分别为S=5mm，H=10mm，安装在有限的广场底板上，尺寸为L 图2:史密斯圆圈显示图1的PIFA的计算和测量的阻抗值，该PIFA安装在长80mm的底板中心，探针馈电距离短路板 2.1mm 图3:传统的图1 PIFA的VSWR计算值和测量值，该PIFA安装在长80mm的底板中心，探针馈电距离短路板2.1mm 图4:传统的图1PIFA的共振频率的计算和测量值通过改变底板尺寸从而改变波长 图5:传统的图1 PIFA，阻抗带宽为2:1的VSWR的计算和测量值通过改变底板尺寸从而改变波长 图6:直线是计算结果，虚线是测量结果，图1显示了PIFA天线的正常辐射模式的共振，建立在一个正方形接地平面上，在你正面图中，它的尺寸是L=80mm(a)， 图7 计算元件的辐射模式共振对于图1的PIFA(观察表1中每种情况的共振频率) 对于接地平面尺寸为L=20毫米 ，L=140毫米，L=60 毫米