PIFA アンテナ - 設計とシミュレーション
携帯電話業界は、モバイル通信に使用されるより優れた小型のアンテナを構築するという非常に高い要求を出しています。 Planar Inverted Antenna F (PIFA) は、モバイル業界向けのアンテナの主要な分類です。 PIFA アンテナは、他のアンテナ (ホイップ、ロッド、ヘリックスなど) と比較して、放射フィールドがユーザーの頭から離れており、サイズが小さく、1/4 波長アンテナであるため、最良の選択です。
この記事では、HFWorks のワークフローとシミュレーション機能について説明します。これにより、電気エンジニアは、デュアル バンド PIFA アンテナの構想、設計、シミュレーション、および最適化を行うことができます。 HFWorks のアンテナ シミュレーションは、GPS および WiMAX アプリケーション用の PIFA アンテナをシミュレートするために使用されました。
図 1 は、SolidWorks で設計されたアンテナ構造を示しています。駆動要素と寄生要素で構成されています。被駆動逆 F 型エレメントは、C 型パッチと短絡ストリップで構成されています。一方、寄生逆 L 要素は、短絡された長方形のパッチです。両方の要素は、空気を基板として、有限のグランド プレーン (Lg × Wg) 上で向かい合わせに配置されています。
図 1 - PIFA アンテナの 3D モデル
デュアル バンド アンテナの概略図を図 2 に示します。この構造は、インピーダンスが 50 オームの同軸フィード ラインで励起されます。この例のような構造の電気的パラメーターは、ATLASS を使用して計算できます[1]。
図 2 - PIFA アンテナの概略図
ワークフローを容易にするために、形状パラメータはファイルで定義され、方程式として SolidWorks にインポートされます。これらのパラメータを表 1 にまとめます。
表 1 - PIFA アンテナの幾何学的パラメータ
| 変数 | 値 (mm ) | 変数 | 値 (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 | ラグ | 99 |
| L1 | 71 | Wg | 24 |
| L2 | 70 | X1 | 45 |
| L3 | 15 | X2 | 44 |
| W1 | 6 | よ | 1 |
| W2 | 5 |
シミュレーション結果
図 3 は、HFWorks を使用した PIFA アンテナの S パラメータのシミュレーション結果を示しています。この構造は、反射係数が -26.90 dB の 1.595 GHz と、反射係数が -45.96 dB の 3.363 GHz の 2 つの周波数で動作します。
低モードのインピーダンス帯域幅は 90MHz で、高モードの連続帯域幅は 135 MHz です。得られた帯域幅は、GPS と WiMAX の帯域幅要件を十分にカバーできます。
図 3 - PIFA アンテナのリターン ロス (dB)
遠方場シミュレーションは、構造物から離れたモデル周辺の場の分布を示します。図 4 は、最初の共振周波数 (3.363 GHz) での 3D 形式のゲイン パターンを示しています。図 5 は、2D 形式の同じゲイン パターンを示しています。
図 4 - 3.363 GHz でのゲイン パターンの 3D プロット
図 5 - 3.363 GHz でのゲイン パターンの 2D プロット
パラメータ化
図 2 の分岐 1 と分岐 2 の間の金属ストリップの領域の変動する効果を知るには、長さ L3 を変化させ、これが S パラメータにどのように影響するかを調べる必要があります。 HFWorks は、設計者がさまざまなシナリオをサポートするのに役立ちます。これにより、ユーザーは最適なパフォーマンスを確保し、最終的なパフォーマンスに対するパラメーターの影響を知ることができます。また、HFWorks は SOLIDWORKS 内にシームレスに統合されているため、ユーザーは、設計を変更するたびにデータを再インポートする必要なく、SolidWorks モデルで直接シミュレーションを実行できます。
図 6 は、GPS 帯域のインピーダンス帯域幅は、長さ L3 を短くしてもほとんど影響を受けませんが、インピーダンス整合性能が低下することを示しています。長さ L3 の減少に伴い、被駆動素子のブランチとグランド プレーンとの間のオーバーラップ エリアが増加します。
図 6 -寸法の関数としてのリターン ロス、PIFA アンテナの L3
この面積の変化により、容量性リアクタンスが増加するため、WiMAX 帯域の共振周波数が低下します。興味深いことに、ＷｉＭＡＸ帯域の帯域幅は、そのような帯域のより高い周波数を一定に維持することによって、特定の値で長さＬ３の減少とともに増加することに留意されたい。さらに、L3 の値が 15 mm 未満に保たれると、広帯域スペクトルが消失し、デュアル バンドの動作が現れます。
結論
この記事では、Solidworks を使用してモバイル アプリケーション用のデュアル バンド アンテナを設計し、HFWorks を使用してシミュレートしました。共振周波数は 1.599 GHz と 3.363 GHz で、GPS と WiMAX の帯域幅要件を十分にカバーする帯域幅であることがわかりました。
参考文献
[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.
