ЕМКОСТНЫЕ СЕНСОРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ NXP
В статье описан расчет компактной двухчастотной антенны PIFA для мобильных устройств. Подробно сравниваются антенны компактной и стандартной конфигураций.
Предложенная конфигурация PIFA-антенны (в англоязычной транскрипции Planar Inverted-F Antenna) отличается от стандартной меньшим размером. Сокращение достигается за счет увеличения пути прохождения токов для фиксированной частоты. В конце статьи приведено подробное сравнение компактной и стандартной конфигураций. Развитие беспроводных технологий и мобильных приложений неразрывно связано с уменьшением размеров и стоимости компонентов. Планарные антенны PIFA широко применяются в портативных устройствах, таких как системы связи, беспроводные устройства и автоэлектроника. В числе их преимуществ — малый размер, низкое расположение, отсутствие согласующих цепей. Разработаны PIFA-антенны для нескольких диапазонов частот. Они бывают двух классов. В одних имеются два электромагнитных контура для генерации двух резонансных режимов. В антеннах второго типа используются две первые резонансные частоты одного и того же контура прохождения сигнала. В антеннах первого типа излучательная пластина разделена на две области L- или U-образной прорезью, либо используются два резонатора. В антеннах второго типа частоты подбираются так, чтобы их соотношение было близко к 2.
Топология
На рисунке 1 показана геометрия антенны PIFA с U-образной прорезью. Размер горизонтальной пластины L1 × W1, прорезь L2 × W2. Полоса рабочих частот 1800 МГц. Работа в двух диапазонах частот обеспечивается благодаря U-образной прорези, разделяющей излучательную пластину на две области (см. рис. 1а). Резонансная частота нижнего диапазона определяется в основном размером излучающей пластины и частично зависит от геометрии прорези, в то время как резонансная частота верхнего диапазона в основном определяется параметрами U-образной прорези. Размеры верхней пластины (W1; L1) = (42; 42) мм, (W2; L2) = (30,28; 7,00) мм, пластина земли (W, L) = (60; 100) мм. В точке (30; 2) мм горизонталь- ная пластина соединена с линией фидера (см. рис. 1в). Высота антенны h = 12,90 мм. Верхняя пластина загнута к пластине земли на dcap = 9,4 мм, ширина участка, расположенного параллельно слою земли, равна 5 мм. При этом две параллельные пластины образуют конденсатор, составляющий емкостную нагрузку. Ширина закорачивающей пластины 42 мм, высота 12,90 мм. Антенна прикрепляется к центру пластины земли на расстоянии 9 мм от начала координат. Толщина закорачивающей пластины и пластины земли — 1 мм. Прорезь в закорачивающей пластине, показанная на рисунке 2, состоит из двух частей: U-образной с высотой h1 = 8,4 мм и шириной W1 = 28 мм; вторая часть сформирована двумя малы- ми прорезями с высотой h2 = 1 мм и шириной W2 = 14,5 мм. Они соеди- няются с большой U-образной прорезью, формируя единое окно, как показано на рисунке 2.
Рисунок 1
Рисунок 2
Схематичное изображение (а) излучательной пластины, вид сверху; (б) антенны, вид сверху и (в) антенны, вид сбоку
Прорезь в закорачивающей пластине: h1 = 8,4 мм, h2 = 1 мм и W2 = 14,5 мм
Характеристики антенны
Описанная выше антенна была промоделирована в программной среде. Она разработана для частот 900 и 1800 МГц, для GSM и DCS соответственно. На рисунке 3 показана зависимость коэффициента отражения от частоты. Антенна резонирует на частотах f1 = 0,9 ГГц, (S11 = 29,21 дБ), f2 = 1,8 ГГц (S11 = 29,8 дБ). На рисунках 4а и 4б показана реальная и мнимая часть входного импеданса антенны. Согласование антенны на 50 Ом получается путем подбора расстояния между закорачивающей пластиной и точкой подвода линии фидера. Для частоты f1 = 0,9 ГГц импеданс составляет (51,96 + j2,97) Ом, на второй полосе (52,99 + j0,89) Ом. Полоса при 2:1 КСВ составляет 3,7% от несущей, т.е. 34 МГц (880…914 МГц). Во втором диапазоне полоса пропускания составляет 3%, т.е. 55 МГц (1774…1829 МГц). Таким образом, уменьшение размера антенны сопровождается сокращением полосы пропускания. Стандартом GSM установлена полоса 70 МГц (890…960 МГц), для DCS — 170 МГц (1710…1880 МГц). На рисунке 5 показано распределение тока для обоих диапазонов. Заметим, что для обеспечения согласования 50 Ом провод фидера должен быть подсоединен к закорачивающей пластине, поскольку около нее сконцентрированы токи. Особенно хорошо это видно на частоте 0,9 ГГц. Из рисунка 5 видно, что резонансная частота на нижнем диапазоне определяется размером прорези внутри закорачивающей пластины, а на верхнем диапазоне — наименьшим размером U-образной прорези. На рисунке 6 приведены диаграммы направленности θ и φ для обоих диапазонов. Коэффициент направленного действия равен 4,514 дБ для f1 и 5,271 дБ для f2.
Рисунок 3
Рисунок 4а
Рисунок 4б
Результат моделирования коэффициента отражения антенны
Результаты моделирования реальной части импеданса антенны
Результаты моделирования мнимой части импеданса
Рисунок 5
Распределение токов для (а) f = 900 МГц и (б) f = 1800 МГц
Сравнение компактной и стандартной антенн PIFA
Стандартная антенна имеет размер 40×67×12,90 мм³, компактная — 42×42×12,90 мм³. Сокращение площади на 34,17%. Размер пластин одинаков — 60×100 мм². Компактность обеспечена за счет прорези в излучательной пластине и за счет емкостной нагрузки. Расчет антенны произведен для свободного пространства, но ее легко реализовать с этими двумя поправками. По сравнению с исходным состоянием точка подсоединения фидера смещена к стенке для обеспечения согласования на 50 Ом, поскольку там большая плотность тока из-за прорези. Уменьшение размера антенны также приводит к сужению полосы пропускания. Для нижнего диапазона (900 МГц) с 4,6% она сузилась до 3,7%, на верхнем (1800 МГц) — с 3,3% до 3%. Это сужение связано с емкостной нагрузкой. На рисунке 8 показан вид обеих антенн сверху. Сокращение размера очевидно.
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
Диаграмма направленности а) и б) для частоты f1 = 0,9 ГГц, в) и г) для f2 = 1,8 ГГц
Коэффициент отражения компактной двухдиапазонной антенны с бесконечной пластиной земли
Вид сверху стандартной (слева) и компактной (справа) антенны
PIFA в автомобильных устройствах
Компактные многополосные антенны успешно применяются в автомобильном секторе, где особое внимание уделяется функциональности и эстетической привлекательности устройств. В современных автомобилях имеются все возможные электронные системы, например, GPS, телефон, телевизор, радио, Bluetooth. Отсюда вытекает необходимость использования многофункциональных компактных антенн. Антенна, описанная в данной статье, подходит для таких приложений. Удобным местом для крепления антенны является крыша автомобиля. Поскольку она гораздо больше антенны, то выступает в роли бесконечно большой пластины земли. Была промоделирована антенна, установленная в центре крыши 5λ×5λ. Ее поведение не отличалось от поведения антенны, установленной на крыше. На рисунке 7 показан коэффициент отражения антенны. Наибольшее отражение 37,3 дБ достигается на частоте f = 0,904 ГГц. При частоте 1,8 ГГц S11 = 38,72 дБ. Полоса пропускания практически не уменьшается. На частоте 904 МГц она составляет 24,8 МГц, на частоте 1,8 ГГц достигает 52 МГц. Диаграммы направленности очень похожи на те, что изображены на рисунке 6. заклюЧение В статье описан расчет компактной двухчастотной антенны PIFA для мобильных устройств. характеристики антенны отвечают современным требованиям рынка: простота реализации, низкая стоимость и малый размер. Уменьшение размера достигается за счет введения емкостной нагрузки и выполнения прорези в закорачивающей пластине. Одновременно снижается резонансная частота и, соответственно, еще больше уменьшается размер антенны. Недостаток решения заключается в небольшом уменьшении полосы пропускания в обоих диапазонах. Следующим шагом модернизации проекта является изменение геометрии антенны для компенсации этого эффекта. Например, будет увеличена высота антенны или изменен ее профиль.