地网性质对于PIFA天线性能的影响

陈明清,王高峰,肖鹏,丁东,丁文

(1.武汉大学物理科学与技术学院,湖北 武汉 430072;2.武汉大学微电子与信息技术研究院,湖北 武汉 430072)

地网性质对于天线性能的影响,最早源于1969年Meier 的文章《有限地面对于天线阻抗影响》[1],之后又有一些研究进展[2-4].地网对于PIFA天线影响的研究主要由2006年Huynh M C与Stutzman W教授的《地面对于PIFA天线的影响》[5]以及2003年翁金辂教授在其著作《平面天线的无线通信》[6]中对于PIFA天线的描述.他们均得出了地面大小对PIFA天线的性能有重大影响的结论，且均将PIFA的馈电点和接地点置于中央.实际PIFA天线的设计中通常将馈电点和短路板置于地面的边缘,因为当PIFA 置于平面的边缘且平行于短的一边时,PIFA天线的增益和带宽均得到提高,所以有必要研究当PIFA天线馈电点和接地点位于边缘时对PIFA天线性能的影响.

PIFA天线的基本结构是采用一个平面辐射单元作为辐射体,以一个大的地面作为反射面,辐射体的两个互相靠近的引脚,分别用于接地和馈电[7].PIFA天线用短路金属板进行接地,根据镜像原理可以减小天线尺寸,由于PIFA的后辐射很小,PIFA天线广泛用于内置天线,尤其是具有GSM/DCS双频特性以及GSM/DCS/PCS三频特性的PIFA天线被大量应用于移动通信设备.传统的地网是由无限地网的表面对辐射源产生反射波,对于普通GP天线和微带天线,一般要求地面半径越大越好.PIFA天线采用短路金属板接地提高天线频率进而缩小尺寸,其地面一般不是越大越好,而是存在一个最佳地面大小,这一点在当PIFA天线位于地面边缘时更加明显.

1 地面位置对PIFA天线性能的影响

图1 PIFA天线三维模型图

本文中借助HFSS仿真软件分析地网对于PIFA天线性能的影响,图1所示为设计的PIFA天线,该天线根据GSM900的频段进行分析设计.GSM900要求上行905～915 MHz,下行950～960 MHz,中心频率估计约为940 MHz,回波损耗设计的上行和下行频率范围均应小于-10 db.根据PIFA天线原理,辐射金属片长与宽的和约为1/4个波长,各项参数设置如下[8],PIFA天线的辐射金属板长L1=55 mm,宽W1=32 mm,短路金属片的长S=5 mm,高H=10 mm,馈电点位于横向中央,纵向距离Yf=5 mm,地面长度Lg,宽度Wg为可变量,a为辐射金属片,b为短路金属片,c为地网,d为泡沫支架,损耗正切tanδ=0.005,相对介电常数εr=1.06.为了验证PIFA天线的地面位置对于PIFA天线性能的影响,将PIFA天线从地面的正中央沿着对角线向边缘移动,其中参数D为PIFA天线端点距离地面中心的距离.此时地面半径长L=120 mm,宽W=180 mm.将通频带宽度定义为S11=-2 db时的带宽,各项数据结果如图2.从图2中可以看出,随着天线由中心往边缘移动,通频带宽度逐渐增加,回波损耗逐渐减小,PIFA天线的增益略微有些波动,总体为增大,并且在边缘处取得了最大值.谐振频率在PIFA天线接近边缘时有明显的降低.另外从特征阻抗随位置的变化中可以看出,随着天线往边缘移动,天线的特征阻抗逐渐增大.分析可知,PIFA天线置于平面的边缘且平行于短的一边时,PIFA天线的增益和带宽较好.图3是PIFA天线的三维增益方向图随天线位置的变化图,从图3中可以看出,天线越往边缘移动,其三维方向图的最大增益就越靠近Z轴方向,当天线靠近边缘时,其E面方向图变为线性极化而不再沿着Z轴,后辐射也稍微变大.

图2 PIFA天线的谐振频率(a)、回波损耗(b)、增益(c)、通频带宽度(d)随地面位置D的变化

图3 PIFA天线增益三维辐射图随地面的位置变化图

2 地面大小对于PIFA天线性能的影响

从Huynh M C,Stutzman W教授以及翁金格教授的文章中可以看到,地面的长度或者宽度的变化对PIFA天线的带宽,回波损耗以及增益方向图等产生影响.从上面分析可以看出,当PIFA天线处于边缘时,增益带宽都较好,且辐射的最大方向也垂直地面.下面分析当PIFA天线位于地面边缘时地面大小对于PIFA天线性能的影响,由于PIFA天线短边与长边影响不一样,将进行分别分析而不再采用Huynh M C,Stutzman W教授的方形地面分析[5],分析PIFA天线的各项性质随地面的变化,也不局限于翁金格教授的回波损耗图的分析[6].长度Lg的变化,取值分别为40、60、80、100、120、140、160 mm.宽度Wg的变化,取值分别为40、60、80、100、120、150、180 mm.回波损耗匹配为手机中常用的50 Ω.带宽定义为VSWR=2时的带宽.

图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)是增益、带宽、特征阻抗、谐振频率、回波损耗随地面长度和宽度的变化.综合分析得到,当地面的长度Lg=120 mm,宽度Wg=60 mm时各项数据的综合性能达到最好,此时Lg约为0.4个波长,Wg约为0.2个波长,当地面的长度和宽度接近辐射金属片大小时,各项参数都会产生较大的变化.下面各项分析采用单一变量法即Lg和Wg在对方变化时均取最佳值点.从图4(a)中可以看出,随着天线长度或者宽度的增大,PIFA天线的增益均增大.当长度和宽度增大到160 mm时,增益将不再增大,达到gain(Lg=160 mm)=2.107 1,gain(Wg=160 mm)=2.861 9,此时天线长度约为0.5个波长.由于Lg最佳值为120 mm,Wg为60 mm,所以相同的Wg和Lg,Wg的增益图所处的地面较大,得到的相应结果是Wg变化时的得到的增益系数整体要比Lg的大.可以得出结论,地面大小在极限值前越大,则增益越大;极限值后趋于不变.

图4 PIFA天线的增益(a)、带宽(b)、特征阻抗(c)、谐振频率(d)、回波损耗(e)随地面长度(左)、宽度(右)的变化

图4 (b)、(c)、(e)是天线的带宽、特征阻抗以及回波损耗随地面长宽变化图,由于带宽和回波损耗主要决定于阻抗匹配程度,先讨论特征阻抗的变化,阻抗匹配为手机传统的50 Ω.

图4 (c)是天线的特征阻抗随地面长度、宽度变化图.从图中可以看出在最佳值点即Lg=120 mm,Wg=60 mm时天线的特征阻抗约为50 Ω,随着天线长度和宽度的的变化,天线的特征阻抗将发生变化.不同的是,随着长度的变化,存在一个最大值点,在最大值点两边特征阻抗均变小,此时长度约为120 mm,即约为0.4个波长.随着宽度的变化,存在一个大约为80 mm即0.24个波长左右的点,当地面长度小于0.24个波长时,天线阻抗逐渐增大,大于0.24个波长时,阻抗大小趋于稳定,此时阻抗约为24.5 Ω.当地面宽度接近辐射金属片宽度时,得不到阻抗虚部为0的点,实部的电阻也相当大,给阻抗匹配增加很大难度.相对于匹配到50 Ω的点,得到当Lg位于阻抗峰值时,Wg=56 mm时，特征阻抗R=49.945 8 Ω,此时匹配接近完美匹配.所以将Lg=120 mm、Wg=60 mm时特征阻抗R=49.954 4 Ω定义为最佳值点.

相应于特征阻抗的变化,图4(e)回波损耗图也得到了类似的结果,在匹配最佳的Lg为120 mm,Wg为60 mm处取得极大值,此时回波损耗为-22.445 8 db.随着长度和宽度偏离最佳值b点,回波损耗均逐渐减小.不同的是，回波损耗随着宽度的变化在极大值点后减小至地面宽度大于80 mm后趋于不变，约为-11 db,说明回波损耗图基本与阻抗图的结果相同.

图4(b)是带宽随地面长度和宽度的变化图,从图中可知在最佳值点Lg=120 mm,60 mm带宽取得了最大值,当VSWR=2的带宽为127 MHz时,随着宽度和长度的变化也同时变小.图中天线随长度的变化在Lg小于60 mm后有个反弹,原因是此时谐振频率变化较大,所以带宽虽然稍微增加,但是谐振频率发生变化Lg=40 mm时的谐振频率为1.164 0 GHz带宽已经不能覆盖GSM900范围,没有意义了.

图4 (d)是PIFA天线的谐振频率随地面长度和宽度的变化.从图中可以看出,天线的谐振频率随天线的长度变化相对较为明显,且在长度等于100 mm取得极小值0.97 GHz,随着长度偏离100 mm值增大,天线谐振频率也增大.而随着宽度的变化则基本趋于不变,维持在0.942 GHz,当宽度减小到60 mm即接近辐射金属片的大小时,谐振频率才有明显的增大.

图5 PIFA天线的增益方向图随地面的长度的变化(a)θ=90°,(b)θ=0°,(c)φ=0°,(d)φ=90°.

图5是天线的增益方向图随地面长度的变化,Lg的取值为40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、140 mm、160 mm.取四个特殊的面进行分析.天线长度较小时用实线表示,天线长度较大时用虚线表示.图5 (a)是PIFA天线E面(θ=90°)时的方向图,从图中分析可知Lg≤60mm时,天线为水平极化,Lg≥60 mm时,地面长度逐渐增大,天线的线性极化逐渐明显,到Lg=160 mm时已经接近全向.图5 (b)是PIFA天线E面(θ=0°)时的方向图,从图中可以看出当长度Lg≤60 mm(1/5波长)时,PIFA天线的地面长度接近辐射金属片的长度,PIFA天线的辐射方向则从垂直方向变为水平方向,随着地面长度L的增加,天线的辐射方向趋于垂直于地面.当Lg>140 mm约0.5个波长时,天线的辐射方向基本垂直于地面.随着地面长度的增加,天线的后辐射也逐渐减小,天线的增益变大.图5(c)是φ=0°时即XZ平面的方向图,从图中可以看出这个平面的天线并不存在极化,完美的全向型随着宽度的增加,增益增大.图5 (d)是φ=90°即XY平面的的方向图,当地面大小趋于无限大时,XY平面的方向图存在水平极化,极化方向平行于Y轴,当Lg≤80 mm时,极化开始变得不明显,随着Lg继续减小,XY平面方向图变为全向.

图6是PIFA天线的增益方向图随地面宽度的变化,Wg的取值为40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、150 mm、180 mm.也取了四个面,实线宽度较小,虚线的宽度较大.图6(a)是PIFA天线E面(θ=90°)时的方向图，从图中可以看出,在Wg>60 mm时，天线为垂直极化,当Wg≤60 mm即为1/5波长时,天线从垂直极化转化为线性极化,且随着宽度的增加,天线的后辐射也逐渐减小,天线增益逐渐增大.图6 (b)是φ=90°即XY平面的的方向图,可知在φ=90°时天线的增益基本没有变化,而天线的两个波瓣中的一个波瓣随着宽度的增加,从θ=-90°向θ=0°方向移动.图6 (c)是φ=0°时即XZ平面的方向图,从图中可以看出,这个平面的天线并不存在极化,随着宽度的增加,增益增大.图6 (d)是PIFA天线E面(θ=0°)时的方向图,从图中可以看出天线的辐射方向基本沿着Z轴方向,随着地面宽度的增加,后辐射逐渐减小,从而使天线的增益逐渐增大.

图6 PIFA天线的增益方向图随地面的宽度的变化(a)θ=90°,(b)φ=90°,(c)φ=0°,(d)θ=0°.

3 结论

本文中利用HFSS仿真软件分析了当辐射金属片、馈电点位于地面边缘时,地面的大小和位置对于PIFA天线性能的影响.分析得出以下结论:

(1)地面馈电点和接地点位于地网短边且平行于短边时,PIFA天线带宽、增益等性能较好.

(2)天线增益随着地面大小增大而增大,当长宽Lg、Wg≥0.5λ时趋于不变.

(3) 阻抗回波损耗在Lg=0.4λ时取得极值,在Wg≥0.24λ时趋于不变.Wg≤0.24λ时阻抗增大.

(4)带宽在Lg=0.4λ、Wg=0.2λ时取得极小值,此时阻抗匹配最好,约为50 Ω.

(5)谐振频率在Lg=0.33λ时取得极小值,Wg≥0.2λ时基本不变,Wg≤0.2λ时增大.

(6)辐射图在地面长宽接近辐射金属片时有较大影响.除φ=0°外,其他方向辐射图随地面长宽大小变化,其形状均有变化.

综上所述,地面大小和地面位置对PIFA天线均有较大影响,且地面长度和宽度对于PIFA天线影响不同,应分开讨论.另外翁金辂教授提到的谐振频率变化的突变点,从分析中可知是地面宽度接近辐射金属片时的宽度.

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[5] Huynh M C, Stutzman W.Ground plane effects on planar inverted-F antenna(PIFA) performance[J]. IEE Proc Microw Antennas Propag, 2003,150(4):209-213.

[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.