Проектирование PIFA для приложений WLAN WiFi™

Открыть сценарий в реальном времени

В этом примере рассматривается PIFA, разработанный для Wi-Fi™ приложений [1]. Планарная перевернутая F-антенна (PIFA) в основном представляет собой заземленную патч-антенну с длиной патча λ/4 (микрополосковый резонатор с открытым замыканием) вместо обычного λ/2 для патч-антенны (микрополосковый резонатор с открытым замыканием). Обычно он состоит из плоскости заземления, верхней накладки, заземленной на одном конце, и коаксиального зонда, питающего верхнюю накладку. PIFA обычно используется в мобильной связи, поскольку она имеет низкую стоимость изготовления, меньшую, чем размер патч-антенны, и относительно простую структуру. Кроме того, он также имеет уменьшенное обратное излучение к голове пользователя. Однако патч-антенна имеет лучшую поляризационную чистоту. Для мобильных телефонов недавно были разработаны сотни сортов PIFA.

Расчетные параметры

Расчетными параметрами для этой антенны являются длина, ширина и высота верхней накладки, а также расположение зонда питания. Короткозамкнутая полоска всегда расположена у одного края накладки; его длина всегда равна длине кромки. Мы начинаем процесс проектирования с размеров антенны, инициализированных ниже. Длина сегмента выбирается равной четверти длины волны на верхней частоте полосы (2,5 ГГц).

patchLength = 30e-3;
patchWidth  = 20e-3;
patchHeight = 10e-3;
lengthgp    = 35e-3;
widthgp     = 35e-3;
feedoffset  = [-patchLength/2+ 5e-3 0];

Создание плоской перевернутой F-антенны

Параметры, определенные выше, используются для создания PIFA. Смещение подачи задается таким образом, чтобы подача находилась на расстоянии 5 мм от закороченного края сегмента. Ширина подачи полосы соответствует проволоке радиусом 1 мм.

ant = pifa('Length',patchLength, 'Width', patchWidth, 'Height',         ...
    patchHeight, 'GroundPlaneLength', lengthgp, 'GroundPlaneWidth',     ...
    widthgp, 'ShortPinWidth', patchWidth, 'FeedOffset', feedoffset);

figure;
show(ant);

Figure contains an axes. The axes with title pifa antenna element contains 3 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed.

Разработка для приложений WLAN

В этом разделе рассматривается конструкция компактного PIFA с подходящей полосой пропускания для беспроводного применения в WiFi™ диапазоне. Полоса пропускания определяется как полоса частот, в которой VSWR меньше 2:1, что приблизительно соответствует коэффициенту отражения -10 дБ или ниже. Это означает, что 10% или менее падающей мощности отражается обратно на генератор.

freq = linspace(2.4e9, 2.5e9, 21);
s1 = sparameters(ant,freq);
S11Fig1 = figure;
rfplot(s1);

$Figure contains an axes. The axes contains an object of type line. This object represents dB(S_{11}).$

Из графика выше следует, что антенна не согласована. Конструкция антенны должна быть изменена для обеспечения коэффициента отражения менее -10 дБ в интересующем частотном диапазоне.

Варьировать расположение питания антенны

Простой и эффективный способ обеспечения соответствия импеданса как для PIFA, так и для патч-антенн заключается в перемещении местоположения питания. Мы обычно перемещаем подачу вдоль резонирующей длины пластыря и находим положение, в котором достигается наилучшее совпадение. Для этого используйте параметр FeedOffset и постройте график коэффициента отражения для каждого расположения подачи.

feedoffsetx = 5e-3:1e-3:19e-3;
S11 = zeros(numel(freq), numel(feedoffsetx));
for m =1:length(feedoffsetx)
    feedoffset  = [-patchLength/2 + feedoffsetx(m) 0];
    ant.FeedOffset = feedoffset;
    S = sparameters(ant,freq);
    S11(:,m) = 20*log10(abs(S.Parameters));
end
S11Fig2 = figure;
plot(freq./1e9, S11);
legend(strcat(num2str(feedoffsetx'.*1e3), 'mm'), 'location', 'Best');
grid on;
title('Reflection Coefficient For Different Feed Offsets');
xlabel('Frequency (GHz)');
ylabel('Magnitude (dB)');

Figure contains an axes. The axes with title Reflection Coefficient For Different Feed Offsets contains 15 objects of type line. These objects represent 5mm, 6mm, 7mm, 8mm, 9mm, 10mm, 11mm, 12mm, 13mm, 14mm, 15mm, 16mm, 17mm, 18mm, 19mm.

Выберите лучший дизайн

Из графиков коэффициентов отражения видно, что смещение подачи 15 мм обеспечивает наилучшее совпадение. Обновите смещение подачи и визуализируйте новую структуру антенны. Теперь канал расположен ближе к центру исправления.

ant.FeedOffset = [-patchLength/2 + 15e-3 0];
figure; 
show(ant);

Figure contains an axes. The axes with title pifa antenna element contains 3 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed.

Ниже мы также построим график коэффициента отражения и VSWR для оптимальной конструкции антенны.

s2 = sparameters(ant,freq);
S11Fig3 = figure;
rfplot(s2);

$Figure contains an axes. The axes contains an object of type line. This object represents dB(S_{11}).$

VSWRFig = figure; 
vswr(ant, freq);

Figure contains an axes. The axes with title VSWR contains an object of type line.

См. также

Секторная антенна для WiFi™ 2,4 ГГц

Ссылка

[1] Г. М. Ханал, «Дизайн компактной PIFA для беспроводных приложений WLAN Wi-Fi», Int. J. of Engineering Research and Development, www.ijerd.com Том 8, Выпуск 7, сентябрь 2013, стр. 13-18, e-ISSN:2278-067X, p-ISSN: 2278-800X. Доступно в Интернете at:http://www.ijerd.com/paper/vol8.issue7/C08071318.pdf

Документация