地網性質對于PIFA天線性能的影響

陳明清,王高峰,肖鵬,丁東,丁文

(1.武漢大學物理科學與技術學院,湖北 武漢 430072;2.武漢大學微電子與信息技術研究院,湖北 武漢 430072)

地網性質對于天線性能的影響,最早源于1969年Meier 的文章《有限地面對于天線阻抗影響》[1],之后又有一些研究進展[2-4].地網對于PIFA天線影響的研究主要由2006年Huynh M C與Stutzman W教授的《地面對于PIFA天線的影響》[5]以及2003年翁金輅教授在其著作《平面天線的無線通信》[6]中對于PIFA天線的描述.他們均得出了地面大小對PIFA天線的性能有重大影響的結論，且均將PIFA的饋電點和接地點置于中央.實際PIFA天線的設計中通常將饋電點和短路板置于地面的邊緣,因為當PIFA 置于平面的邊緣且平行于短的一邊時,PIFA天線的增益和帶寬均得到提高,所以有必要研究當PIFA天線饋電點和接地點位于邊緣時對PIFA天線性能的影響.

PIFA天線的基本結構是采用一個平面輻射單元作為輻射體,以一個大的地面作為反射面,輻射體的兩個互相靠近的引腳,分別用于接地和饋電[7].PIFA天線用短路金屬板進行接地,根據鏡像原理可以減小天線尺寸,由于PIFA的后輻射很小,PIFA天線廣泛用于內置天線,尤其是具有GSM/DCS雙頻特性以及GSM/DCS/PCS三頻特性的PIFA天線被大量應用于移動通信設備.傳統的地網是由無限地網的表面對輻射源產生反射波,對于普通GP天線和微帶天線,一般要求地面半徑越大越好.PIFA天線采用短路金屬板接地提高天線頻率進而縮小尺寸,其地面一般不是越大越好,而是存在一個最佳地面大小,這一點在當PIFA天線位于地面邊緣時更加明顯.

1 地面位置對PIFA天線性能的影響

圖1 PIFA天線三維模型圖

本文中借助HFSS仿真軟件分析地網對于PIFA天線性能的影響,圖1所示為設計的PIFA天線,該天線根據GSM900的頻段進行分析設計.GSM900要求上行905～915 MHz,下行950～960 MHz,中心頻率估計約為940 MHz,回波損耗設計的上行和下行頻率范圍均應小于-10 db.根據PIFA天線原理,輻射金屬片長與寬的和約為1/4個波長,各項參數設置如下[8],PIFA天線的輻射金屬板長L1=55 mm,寬W1=32 mm,短路金屬片的長S=5 mm,高H=10 mm,饋電點位于橫向中央,縱向距離Yf=5 mm,地面長度Lg,寬度Wg為可變量,a為輻射金屬片,b為短路金屬片,c為地網,d為泡沫支架,損耗正切tanδ=0.005,相對介電常數εr=1.06.為了驗證PIFA天線的地面位置對于PIFA天線性能的影響,將PIFA天線從地面的正中央沿著對角線向邊緣移動,其中參數D為PIFA天線端點距離地面中心的距離.此時地面半徑長L=120 mm,寬W=180 mm.將通頻帶寬度定義為S11=-2 db時的帶寬,各項數據結果如圖2.從圖2中可以看出,隨著天線由中心往邊緣移動,通頻帶寬度逐漸增加,回波損耗逐漸減小,PIFA天線的增益略微有些波動,總體為增大,并且在邊緣處取得了最大值.諧振頻率在PIFA天線接近邊緣時有明顯的降低.另外從特征阻抗隨位置的變化中可以看出,隨著天線往邊緣移動,天線的特征阻抗逐漸增大.分析可知,PIFA天線置于平面的邊緣且平行于短的一邊時,PIFA天線的增益和帶寬較好.圖3是PIFA天線的三維增益方向圖隨天線位置的變化圖,從圖3中可以看出,天線越往邊緣移動,其三維方向圖的最大增益就越靠近Z軸方向,當天線靠近邊緣時,其E面方向圖變為線性極化而不再沿著Z軸,后輻射也稍微變大.

圖2 PIFA天線的諧振頻率(a)、回波損耗(b)、增益(c)、通頻帶寬度(d)隨地面位置D的變化

圖3 PIFA天線增益三維輻射圖隨地面的位置變化圖

2 地面大小對于PIFA天線性能的影響

從Huynh M C,Stutzman W教授以及翁金格教授的文章中可以看到,地面的長度或者寬度的變化對PIFA天線的帶寬,回波損耗以及增益方向圖等產生影響.從上面分析可以看出,當PIFA天線處于邊緣時,增益帶寬都較好,且輻射的最大方向也垂直地面.下面分析當PIFA天線位于地面邊緣時地面大小對于PIFA天線性能的影響,由于PIFA天線短邊與長邊影響不一樣,將進行分別分析而不再采用Huynh M C,Stutzman W教授的方形地面分析[5],分析PIFA天線的各項性質隨地面的變化,也不局限于翁金格教授的回波損耗圖的分析[6].長度Lg的變化,取值分別為40、60、80、100、120、140、160 mm.寬度Wg的變化,取值分別為40、60、80、100、120、150、180 mm.回波損耗匹配為手機中常用的50 Ω.帶寬定義為VSWR=2時的帶寬.

圖4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)是增益、帶寬、特征阻抗、諧振頻率、回波損耗隨地面長度和寬度的變化.綜合分析得到,當地面的長度Lg=120 mm,寬度Wg=60 mm時各項數據的綜合性能達到最好,此時Lg約為0.4個波長,Wg約為0.2個波長,當地面的長度和寬度接近輻射金屬片大小時,各項參數都會產生較大的變化.下面各項分析采用單一變量法即Lg和Wg在對方變化時均取最佳值點.從圖4(a)中可以看出,隨著天線長度或者寬度的增大,PIFA天線的增益均增大.當長度和寬度增大到160 mm時,增益將不再增大,達到gain(Lg=160 mm)=2.107 1,gain(Wg=160 mm)=2.861 9,此時天線長度約為0.5個波長.由于Lg最佳值為120 mm,Wg為60 mm,所以相同的Wg和Lg,Wg的增益圖所處的地面較大,得到的相應結果是Wg變化時的得到的增益系數整體要比Lg的大.可以得出結論,地面大小在極限值前越大,則增益越大;極限值后趨于不變.

圖4 PIFA天線的增益(a)、帶寬(b)、特征阻抗(c)、諧振頻率(d)、回波損耗(e)隨地面長度(左)、寬度(右)的變化

圖4 (b)、(c)、(e)是天線的帶寬、特征阻抗以及回波損耗隨地面長寬變化圖,由于帶寬和回波損耗主要決定于阻抗匹配程度,先討論特征阻抗的變化,阻抗匹配為手機傳統的50 Ω.

圖4 (c)是天線的特征阻抗隨地面長度、寬度變化圖.從圖中可以看出在最佳值點即Lg=120 mm,Wg=60 mm時天線的特征阻抗約為50 Ω,隨著天線長度和寬度的的變化,天線的特征阻抗將發生變化.不同的是,隨著長度的變化,存在一個最大值點,在最大值點兩邊特征阻抗均變小,此時長度約為120 mm,即約為0.4個波長.隨著寬度的變化,存在一個大約為80 mm即0.24個波長左右的點,當地面長度小于0.24個波長時,天線阻抗逐漸增大,大于0.24個波長時,阻抗大小趨于穩定,此時阻抗約為24.5 Ω.當地面寬度接近輻射金屬片寬度時,得不到阻抗虛部為0的點,實部的電阻也相當大,給阻抗匹配增加很大難度.相對于匹配到50 Ω的點,得到當Lg位于阻抗峰值時,Wg=56 mm時，特征阻抗R=49.945 8 Ω,此時匹配接近完美匹配.所以將Lg=120 mm、Wg=60 mm時特征阻抗R=49.954 4 Ω定義為最佳值點.

相應于特征阻抗的變化,圖4(e)回波損耗圖也得到了類似的結果,在匹配最佳的Lg為120 mm,Wg為60 mm處取得極大值,此時回波損耗為-22.445 8 db.隨著長度和寬度偏離最佳值b點,回波損耗均逐漸減小.不同的是，回波損耗隨著寬度的變化在極大值點后減小至地面寬度大于80 mm后趨于不變，約為-11 db,說明回波損耗圖基本與阻抗圖的結果相同.

圖4(b)是帶寬隨地面長度和寬度的變化圖,從圖中可知在最佳值點Lg=120 mm,60 mm帶寬取得了最大值,當VSWR=2的帶寬為127 MHz時,隨著寬度和長度的變化也同時變小.圖中天線隨長度的變化在Lg小于60 mm后有個反彈,原因是此時諧振頻率變化較大,所以帶寬雖然稍微增加,但是諧振頻率發生變化Lg=40 mm時的諧振頻率為1.164 0 GHz帶寬已經不能覆蓋GSM900范圍,沒有意義了.

圖4 (d)是PIFA天線的諧振頻率隨地面長度和寬度的變化.從圖中可以看出,天線的諧振頻率隨天線的長度變化相對較為明顯,且在長度等于100 mm取得極小值0.97 GHz,隨著長度偏離100 mm值增大,天線諧振頻率也增大.而隨著寬度的變化則基本趨于不變,維持在0.942 GHz,當寬度減小到60 mm即接近輻射金屬片的大小時,諧振頻率才有明顯的增大.

圖5 PIFA天線的增益方向圖隨地面的長度的變化(a)θ=90°,(b)θ=0°,(c)φ=0°,(d)φ=90°.

圖5是天線的增益方向圖隨地面長度的變化,Lg的取值為40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、140 mm、160 mm.取四個特殊的面進行分析.天線長度較小時用實線表示,天線長度較大時用虛線表示.圖5 (a)是PIFA天線E面(θ=90°)時的方向圖,從圖中分析可知Lg≤60mm時,天線為水平極化,Lg≥60 mm時,地面長度逐漸增大,天線的線性極化逐漸明顯,到Lg=160 mm時已經接近全向.圖5 (b)是PIFA天線E面(θ=0°)時的方向圖,從圖中可以看出當長度Lg≤60 mm(1/5波長)時,PIFA天線的地面長度接近輻射金屬片的長度,PIFA天線的輻射方向則從垂直方向變為水平方向,隨著地面長度L的增加,天線的輻射方向趨于垂直于地面.當Lg>140 mm約0.5個波長時,天線的輻射方向基本垂直于地面.隨著地面長度的增加,天線的后輻射也逐漸減小,天線的增益變大.圖5(c)是φ=0°時即XZ平面的方向圖,從圖中可以看出這個平面的天線并不存在極化,完美的全向型隨著寬度的增加,增益增大.圖5 (d)是φ=90°即XY平面的的方向圖,當地面大小趨于無限大時,XY平面的方向圖存在水平極化,極化方向平行于Y軸,當Lg≤80 mm時,極化開始變得不明顯,隨著Lg繼續減小,XY平面方向圖變為全向.

圖6是PIFA天線的增益方向圖隨地面寬度的變化,Wg的取值為40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、150 mm、180 mm.也取了四個面,實線寬度較小,虛線的寬度較大.圖6(a)是PIFA天線E面(θ=90°)時的方向圖，從圖中可以看出,在Wg>60 mm時，天線為垂直極化,當Wg≤60 mm即為1/5波長時,天線從垂直極化轉化為線性極化,且隨著寬度的增加,天線的后輻射也逐漸減小,天線增益逐漸增大.圖6 (b)是φ=90°即XY平面的的方向圖,可知在φ=90°時天線的增益基本沒有變化,而天線的兩個波瓣中的一個波瓣隨著寬度的增加,從θ=-90°向θ=0°方向移動.圖6 (c)是φ=0°時即XZ平面的方向圖,從圖中可以看出,這個平面的天線并不存在極化,隨著寬度的增加,增益增大.圖6 (d)是PIFA天線E面(θ=0°)時的方向圖,從圖中可以看出天線的輻射方向基本沿著Z軸方向,隨著地面寬度的增加,后輻射逐漸減小,從而使天線的增益逐漸增大.

圖6 PIFA天線的增益方向圖隨地面的寬度的變化(a)θ=90°,(b)φ=90°,(c)φ=0°,(d)θ=0°.

3 結論

本文中利用HFSS仿真軟件分析了當輻射金屬片、饋電點位于地面邊緣時,地面的大小和位置對于PIFA天線性能的影響.分析得出以下結論:

(1)地面饋電點和接地點位于地網短邊且平行于短邊時,PIFA天線帶寬、增益等性能較好.

(2)天線增益隨著地面大小增大而增大,當長寬Lg、Wg≥0.5λ時趨于不變.

(3) 阻抗回波損耗在Lg=0.4λ時取得極值,在Wg≥0.24λ時趨于不變.Wg≤0.24λ時阻抗增大.

(4)帶寬在Lg=0.4λ、Wg=0.2λ時取得極小值,此時阻抗匹配最好,約為50 Ω.

(5)諧振頻率在Lg=0.33λ時取得極小值,Wg≥0.2λ時基本不變,Wg≤0.2λ時增大.

(6)輻射圖在地面長寬接近輻射金屬片時有較大影響.除φ=0°外,其他方向輻射圖隨地面長寬大小變化,其形狀均有變化.

綜上所述,地面大小和地面位置對PIFA天線均有較大影響,且地面長度和寬度對于PIFA天線影響不同,應分開討論.另外翁金輅教授提到的諧振頻率變化的突變點,從分析中可知是地面寬度接近輻射金屬片時的寬度.

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[6] Long Kin Lu.Planar antenns for wireless communications[M].John Wiley &Sons, Inc, Hoboken, New Jersey,2003.

[7] http://www.antenna-theory.com/antennas/patches/pifaphp.

[8] Hirisawa K, Haneishi M.Analysis, design and measurement of small and low-profile antennas[M].Boston:Artech House Boston,1992.