地平面对GP天线性能的影响

陈明清 武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉

地平面对GP天线性能的影响

陈明清 武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉

1/4 波长的垂直GP天线广泛用于中波广播以及移动无线电通讯等领域。GP天线即地网天线英文全称为Ground Plane antenna 可知地网是GP天线的组成部分，地网的性质会对GP天线产生非常重要的影响。本文借助仿真软件HFSS分析了地网的大小形状材料对GP天线阻抗，共振频率，增益，方向图等天线主要参数的影响。这些结果将为GP天线在有限地平面中的设计提供理论支持。

1/4 波长GP天线；HFSS；地网

quarter wave GP antenna HFSS ground plane

引言

关于地平面对于天线性质的影响最早源于1969年Meier的有限平面对于天线阻抗影响的文章[1]。之后又有一些研究进展[2-4]，但是由于技术的限制，这些工作只能根据一些实测数据进行定性的分析。现在由于计算机技术的发展，我们可以借助仿真软件对其进行全面系统的分析。根据镜像理论可知当PEC[5]作为反射材料，反射波相对于入射波存在180度的相位变化。 当PEC附近存在辐射源时，它的表面会产生表面波。理论分析中假定的是无限大的pec平面，而实际为一有限的导体平面，这将对天线性能产生影响。

1.地面半径大小对于GP天线性能的影响

图1 不同地面半径的GP天线的E面和H面方向图

下面的实测数据中我们以直径 为基准给出了0.75 D,0.5 D，0.25D,0.125D,0.0625D,0.03125D为地面直径的GP天线各参数的仿真结果，图1分别给出了不同直径的GP天线的E面和H面方向图。从图中可以看出，随着半径的变化，GP天线的方向图基本重合，图2给出了不同半径下GP天线的增益，输入阻抗以及谐振频率的变化。

图2 GP天线各参数随地面半径的变化

从图中可以看出，随着半径的减小，GP天线的输入阻抗当电抗部分为0时的电阻大小逐渐增大，当半径减小到与GP天线的横向半径同一数量级时，我们发现此时将不能得到电抗为0的频率点而只能得到极小值点。可知随着半径的减小，阻抗变大，回波损耗S11也将随着变大，此时会对天线的匹配产生较大影响。而天线的增益可知基本没有太大的变化，所以只要地平面保持球对称则GP天线的增益和方向图将保持不变。

2.地面形状对于GP天线性能的影响

如果边长α>>λ时GP天线如果位于正中间可知此时边界无论何种形状将等价于圆形，其对GP天线基本没有影响。为了验证地面形状对于GP天线性能的影响，我们取了如图3所示的边长 的正方形作为地平面，然后将GP天线的中心在正方形的对角线上移动以观察地面形状对于GP天线性能的影响。图4给出了GP天线从中心到边角15MM的三维方向图。

图3 GP天线的三维方向图

图4 地面形状变化的GP天线三维方向图

从图中我们可以看出随着GP天线越靠近端点C天线的辐射方向将越集中于对角线沿A方向，所以地面的形状将会改变GP辐射方向，如果控制地平面的形状，我们还可以控制GP天线的辐射方向，实际中可能有所应用。另外随着形状变化天线的辐射的最大方向不在沿着地平面将会离开接地面，向上倾斜与地面成一定的夹角，越靠近端点，夹角越大。图5给出了GP天线的输入阻抗，谐振频率以及增益随地面形状的变化，从图表中我们可以看出天线的谐振频率基本不受影响，而输入阻抗随着形状的变化加剧而逐渐增大，而从增益中可以看出增益是先增大后减小可知开始时由于形状对于GP天线的影响辐射集中于对角线沿A方向，使得GP天线增益增大，而随着形状变化加剧，输入阻抗增大，回波损耗加剧并成为主要影响使得增益减小。

图5 GP天线各参数随形状的变化

3.地面材料对于GP天线性能的影响

由于地网天线中地网材料一般为铜和铝，当用在手机和无线通信设备时用的材料一般采用FR-4，所以我们主要分析这三种材料对于GP天线性能的影响。图6给出了三种材料的E面和H面方向图，从图中可以看出，PEC,Cu以及AL地面的方向图基本重合，而FR4材料的方向图的最大辐射方向也是沿地面，但是增益大小明显减小了。表1给出的是三种材料与PEC地面的增益，谐振频率以及电抗为0时电阻的比较，同样可以看出Cu，Al地面与PEC地面的结果基本一致，而FR4地面使得谐振频率增大，增益减小，电抗，阻抗也明显增大严重影响了GP天线的工作。所以一般GP天线的地面采用良导体作为地面即可。

图6 三种材料的E面，H面方向图

4.结论

本文借助HFSS仿真软件分析了地网的大小，形状，材料对于GP天线性能的影响，从结论中可以看出：（1）地面大小主要影响输入阻抗和谐振频率（2）地面形状主要影响增益和辐射方向（3）地面材料的影响主要在于谐振频率，输入阻抗和增益。所以地网大小、形状、材料对于GP天线的影响不同。实际应用中应该针对不同的情况作出相应的调整。使得GP天线方向图中E面沿地面方向辐射场最强，H面辐射无方向性以保证天线辐射出的信号始终沿地面方向传播，另外谐振频率，输入阻抗以及增益也应该在规定范围。

[1]Meier, A.S., and Summers, W.P.:‘Measured impedance of verticalantennas and effects of finite ground planes’, Proc. IEEE,1969,37, pp.609–616

[2]Awadalla, K.H., and Maclean, T.S.M.:‘Input impedance of amonopole antenna at the center of a finite ground plane’, IEEE Trans. Antennas Propag.,1978,26, pp.244–248

[3]Weiner, M.M.: ‘Monopole element at the center of a circular ground plane whose radius is small or comparable to a wavelength’, IEEE Trans. Antennas Propag.,1987,35, (5), pp.488–495

[4]Zhi Ning Chen,Terence S. P. See, and Xianming Qing: ‘Small Printed Ultrawideband Antenna With Reduced Ground Plane Effect’, IEEE Trans. Antennas Propag.,2007,55, pp.383–388

[5]http://baike.baidu.com/view/1080834.htm

[6]en.wikipedia.org/wiki/Ground_plane

[7]HFSS User’s Manual, Ansoft.HFSS.V13.0,2010

quarter wave vertical and ground plane antennas are widely used for medium wave broadcasting, mobile radio communications applications and many more。The full name of GP antenna is Ground Plane antenna,so the ground plane is an integral part of the GP antenna and have the great effect on GP antennas applications. In this papper we use the software HFSS to have an analysis about the influence of ground plane geometry on GP antenna’s impedance resonant frequeancy,gain,and radiation.The results may give some theory support on the GP antenna’s design in the finite ground plane.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.018