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S-Parameter, Rückflussdämpfung und Fernfeldberechnung für eine PIFA-Antenne

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Thursday, November 4, 2021
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PIFA-Antenne - Design und Simulation

Die Mobilfunkbranche hat eine sehr hohe Nachfrage nach dem Bau besserer und kleinerer Antennen für die Mobilkommunikation. Planar Inverted Antenna F (PIFA) ist die Hauptklassifikation von Antennen für die Mobilindustrie. PIFA-Antenne ist die beste Wahl, da das ausgestrahlte Feld vom Kopf des Benutzers entfernt ist und zweitens eine kleine und eine Viertelwellenantenne im Vergleich zu anderen Antennen (wie Peitsche, Stab, Wendel) aufweist.

Dieser Artikel zeigt die Workflow- und Simulationsfunktionen in HFWorks, mit denen Elektrotechniker eine Dualband-PIFA-Antenne vorstellen, entwerfen, simulieren und optimieren können. Die Antennensimulation in HFWorks wurde verwendet, um eine PIFA-Antenne für GPS- und WiMAX-Anwendungen zu simulieren.

Abbildung 1 zeigt die mit SolidWorks erstellte Antennenstruktur. Es besteht aus angetriebenen und parasitären Elementen. Das angetriebene invertierte F-förmige Element besteht aus einem C-förmigen Patch und einem Kurzschlussstreifen. Während das parasitäre invertierte L-Element ein kurzgeschlossener rechteckiger Fleck ist. Beide Elemente sind über einer endlichen Grundebene (Lg × Wg) mit Luft als Substrat von Angesicht zu Angesicht ausgerichtet.

3D-Modell einer PIFA-Antenne

Abbildung 1 - 3D-Modell einer PIFA-Antenne

Das schematische Diagramm der Zweibandantenne ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Struktur wird mit einer koaxialen Zuleitung mit einer Impedanz von 50 Ohm angeregt. Die elektrischen Parameter einer Struktur wie in diesem Beispiel können mit ATLASS [1] berechnet werden.

Schematische Darstellung der PIFA-Antenne

Abbildung 2 - Schematische Darstellung der PIFA-Antenne

Um den Arbeitsablauf zu vereinfachen, werden die geometrischen Parameter in einer Datei definiert und als Gleichungen in SolidWorks importiert. Diese Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Geometrische Parameter der PIFA-Antenne

Variable Wert (mm ) Variable Wert (mm )
L 100 W3 22
W 24 Ls1 9.5
H 9.7 Ws1 5
T 9.3 Ls2 9.5
S 1 Ws2 2.5
G1 2 Lp 27
G2 11 Wp 13
G3 2 Lg 99
L1 71 Wg 24
L2 70 X1 45
L3 fünfzehn X2 44
W1 6 Y. 1
W2 5

Simulationsergebnisse

Abbildung 3 zeigt die simulierten Ergebnisse der S-Parameter der PIFA-Antenne mit HFWorks. Die Struktur arbeitet bei zwei Frequenzen von 1,595 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -26,90 dB und bei 3,363 GHz mit einem Reflexionskoeffizienten von -45,96 dB.

Der niedrigere Modus hat eine Impedanzbandbreite von 90 MHz, während der höhere Modus eine breitere kontinuierliche Bandbreite von 135 MHz hat. Die erhaltenen Bandbreiten können die Bandbreitenanforderungen für GPS und WiMAX ausreichend abdecken.

Rückflussdämpfung der PIFA-Antenne (dB)

Abbildung 3 - Rückflussdämpfung der PIFA-Antenne (dB)

Die Fernfeldsimulation zeigt die Verteilung des Feldes um das Modell in einem Abstand von der Struktur. 4 zeigt das Verstärkungsmuster in einem 3D-Format bei der ersten Resonanzfrequenz (3,363 GHz) und 5 zeigt das gleiche Verstärkungsmuster in einem 2D-Format.

3D-Darstellung des Verstärkungsmusters bei 3,363 GHz

Abbildung 4 - 3D-Darstellung des Verstärkungsmusters bei 3,363 GHz


2D-Darstellung des Verstärkungsmusters bei 3,363 GHz

Abbildung 5 - 2D-Darstellung des Verstärkungsmusters bei 3,363 GHz

Parametrierung

Um den Effekt der Modulation des Bereichs des Metallstreifens zwischen Zweig 1 und Zweig 2 in Abbildung 2 zu kennen, müssen wir die Länge L3 variieren und untersuchen, wie sich dies auf die S-Parameter auswirkt. HFWorks unterstützt Konstrukteure bei der Unterstützung verschiedener Szenarien. Auf diese Weise kann der Benutzer eine optimale Leistung sicherstellen und die Auswirkung eines Parameters auf die endgültige Leistung kennen. HFWorks ist auch nahtlos in SOLIDWORKS integriert, sodass Benutzer Simulationen direkt am SolidWorks-Modell ausführen können, ohne dass Daten bei jeder Konstruktionsänderung erneut importiert werden müssen.
Fig. 6 zeigt, dass die Impedanzbandbreite im GPS-Band mit der Abnahme der Länge L3 nahezu unbeeinträchtigt ist, jedoch die Impedanzanpassungsleistung verschlechtert. Mit der Abnahme der Länge L3 nimmt der Überlappungsbereich zwischen den Zweigen und der Grundebene des angetriebenen Elements zu.

Rückflussdämpfung in Abhängigkeit von der Abmessung L3 einer PIFA-Antenne

Abbildung 6 - Rückflussdämpfung als Funktion der Abmessung L3 einer PIFA-Antenne

Diese Änderung der Fläche erhöht die kapazitive Reaktanz und daher nehmen die Resonanzfrequenzen im WiMAX-Band ab. Es ist interessanterweise zu bemerken, dass die Bandbreite des WiMAX-Bandes mit der Abnahme der Länge L3 bei bestimmten Werten zunimmt, indem eine höhere Frequenz eines solchen Bandes konstant gehalten wird. Wenn der Wert von L3 kleiner als 15 mm gehalten wird, verschwindet das Breitbandspektrum und es tritt ein Doppelbandverhalten auf.

Fazit

In diesem Artikel wurde eine Dualband-Antenne für mobile Anwendungen mit Solidworks entworfen und mit HFWorks simuliert. Die Resonanzfrequenzen betrugen 1,599 GHz und 3,363 GHz mit Bandbreiten, die die Bandbreitenanforderungen für GPS und WiMAX ausreichend abdecken.

Verweise

[1] https://www.emworks.com/product/ATLASS
[2] Mayank Agarwal, Rajesh Singh, and Manoj Kumar Meshram " Dual-Band Linearly Polarized Planar Inverted-F Antenna (PIFA) for GPS/WiMAX Applications", presented at Students Conference on Engineering and Systems (SCES), 2013 IEEE.