Jakobsen, Kaj Bjarne

Thaysen, Jesper

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                       General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.  • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal   If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.     Downloaded from orbit.dtu.dk on: Dec 16, 2017Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 1PIFA()Thaysen, Jesper; Jakobsen, Kaj BjarnePublished in:Electronic Systems DesignPublication date:2007Link back to DTU OrbitCitation (APA):Thaysen, J., & Jakobsen, K. B. (2007). Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 1: PIFA(). ElectronicSystems Design.  欲打印此文章，从您的浏览器菜单中选择“文件”后再选“打印”。  采用容性负载以减小手机的PIFA(一) 上网时间：2006-02-15Jesper Thaysen, Kaj B. Jakobsen  著 在平板倒置F天线(PIFA)结构中增加分布式顶端负载电容，既能减小带宽，也可以减小便携移动手机的体积。 要想缩小移动电话的体积，就需要使用更小的天线。移动电话比较有效的一种天线，就是用平板倒置F天线(PIFA)。非常幸运的是，已经证实，这个设计通过使用简单的顶部电容性负载，能够在电气性能没有什么降低的情况下，缩小体积。  已经应用的几种减小天线的方法，无不以降低天线增益和带宽为代价。这是由于这样的事实：天线是用来把有界波转变成辐射的无线电波的。自然地，当天线比设计波长短很多时，这种转变的效率就受损了。虽然信号水平的损失，常常可以用放大来补偿，但对于带宽就不行了。如果阻抗匹配得比要求的更好，可以用宽带技术来增加带宽。 对于手机而言，天线应该使用其全部可用的体积。而当体积固定时，小天线的设计则是在带宽和增益之间的一个折衷。  减小天线尺寸的一种方法，就是简单地缩短天线长度。然而这种方法会影响到天线端的阻抗，以致于发射阻抗变成电抗性阻抗。这可以用顶部电容性负载进行补偿。实践中，失去的天线高度由一个等价电路来代替，它改善了阻抗匹配和效率。这种方法已经普遍地使用在波长为几百米的低频天线场合。而在移动电话方面，应用很少。  电容性顶端负载的想法，以前在研究单极子和双极子的联系时，被讨论过。但在这里，该技术也适用于PIFA. 在许多实际应用中，一个集总电容，加上分布电容，被用作天线顶端负载。当PIFA的开路端构成平板电容的一个极时，使用一个分布式平板电容是合适的。  为了演示通过在顶部加载分布电容，从而缩小PIFA的尺寸的有效性， 我们设立一个中间目标：对于一个固定尺寸的天线，将其中心频率降低百分之三十三。对天线的发射特性，散射参数(scattering parameter)，近场分布(near-field distribution)，和电流分布，进行了模拟和测量验证。这些结果还与相同尺寸但加载电感的PIFA；以及60mm长的PIFA进行了对比。  该实验天线为长40mm、宽1.5mm、高5mm的PIFA，被安装在40×100mm的底板上。用Rohacel材料(εr=1.06)制作天线的支撑结构。天线处于边沿，并与100mm边平行(见图1)。  馈电点位于距边5mm处，而边沿做了一个90度的折弯，形成短路到地。在FIFA的开路端点和底板之间, 加入了不同长度的铜带(宽1.5mm)。电容两个极板之间的距离d，也就是PIFA的开路端到铜带的距离，如图1中所示。电容器的下平板由铜带形成，上平板由PIFA形成。  Page 1 of 3打印版-采用容性负载以减小手机的PIFA(一)06-09-2007http://www.ed-china.com/ARTP_8800013040_400010_500003_TS.HTM一个40mm长未加载的PIFA与加载后的天线相比，其中心频率有一定的升高。然而，这也提供了另一个与加载后的天线具有同样中心频率(最低|S11|)，而尺寸更大的未加载天线(60×1.5×5mm)的例子。这提供了当天线在具有与没有容性顶端负载情况下的实际对比。  对于60mm的PIFA，模拟出的中心频率(最低|S11|)是1.2G，也就是比40mm的PIFA的中心频率(1.8G)低百分之三十三。对这两种天线，测量到的最低反射系数时的频率，比仿真结果约低百分之十。差别的原因，可能是由于仿真模型与实际模型之间细微的差别。另外，仿真中的分辨力也可能产生一些差异(这里，综合结果是在每波长20格，和边沿格的条件下得到的)。  在图2施密斯圆图(Smith chart)中表示的40mm天线的阻抗曲线，表明了中心频率(最低|S11|，1.8G)的位置的返回损耗是6dB(1.78GHz和1.87GHz)；它也表示了另一个天线的中心频率(1.2G)。对60mm天线也做了同样的表示。在40mm PIFA天线的情况下，通过对天线适当地加载，就是要从圆图中1.2GHz的位置移动到1.8GHz的位置。对于40mm长PIFA的中心频率(最低|S11|)，从1.8GHz降低到1.2GHz，是通过电容实现的。该频率的降低，对应尺寸减少百分之三十三，从60mm到40mm。  在两个不同的仿真试验中，利用了平板电容的形成原理。首先，固定平板面积为40×1.5mm；平板距离，d，从0.05mm变化到0.60mm。其后，距离固定在 d=0.1 mm，而面积从0.8mm变化到9.0 mm。图2中按照电容量为升序，显示了由两板面积，A，和板间距，d，决定的电容量。电容量可以通过下式来计算：  C=Aε0εr/d (1)  其中ε0 是介电常数，等于8.8542×10-12F/m。  Page 2 of 3打印版-采用容性负载以减小手机的PIFA(一)06-09-2007http://www.ed-china.com/ARTP_8800013040_400010_500003_TS.HTM此文章源自《电子系统设计》网站： http://www.ed-china.com/ART_8800013040_400010_500003_TS.HTM尽管在原型中使用了粘带作为分隔物，但相对介电常数εr仍设为1。这意味着测量到的值，比模拟值要大。这样，使用了范围从0.13 pF到2.13pF的叠加电容。按照仿真范围内的平板面积，和间距制作了实际模型。在图3和图4中，给出了改变平板电容时(表1)的仿真结果，用实线表示；而实测值用叉线表示。图中加入了线性趋势线，以便更好地观察随着电容量的变化，结果所发生的变化。  作者：Jesper Thaysen，Kaj B. Jakobsen    返回文章页  |   返回主页   返回页首    eMedia Asia: 电子工程专辑 | 手机设计 | 媒体播放器 | 数字电视 | 汽车电子设计 | 工业控制 | 电源系统 | 国际电子商情环球资源: 环球资源企业网 | 世界经理人 | Electronic Components | Computer Products | China Sourcing Fairs   RSS新闻聚合  | 意见反馈 | 网站导航 | 帮助 | 关于我们 | 隐私政策 | 联系我们 | 使用条款 | 安全承诺 | 网址推荐 Copyright © 2007  eMedia Asia Ltd. 本网站所有内容均受版权保护。 未经版权所有人明确的书面许可，不得以任何方式或媒体翻印或转载本网站的部分或全部内容。   Page 3 of 3打印版-采用容性负载以减小手机的PIFA(一)06-09-2007http://www.ed-china.com/ARTP_8800013040_400010_500003_TS.HTM

Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 1:采用容性负载以减小手机的PIFA(一)

                       General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.  • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal   If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.     Downloaded from orbit.dtu.dk on: Dec 16, 2017Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 2PIFA()Thaysen, Jesper; Jakobsen, Kaj BjarnePublished in:Electronic Systems DesignPublication date:2007Link back to DTU OrbitCitation (APA):Thaysen, J., & Jakobsen, K. B. (2007). Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 2: PIFA(). ElectronicSystems Design.采用容性负载以减小手机的PIFA(二) 作者： wireless3    2006-10-27 2006/02/15 电子系统设计   在平板倒置F天线(PIFA)结构中增加分布式顶端负载电容，既能减小带宽，也可以减小便携移动手机的体积。当电容小于1.5pF时，仿真中心频率(最低|S11|)，从1.8变到0.8GHz，几乎随着电容线性地下降。在更低的数值，实验结果遵循同样的趋势。在增加的电容小于1.1pF时，仿真出的带宽几乎恒定在常数120MHz(百分之九)。当该电容大于1.1pF时，阻抗匹配性能降低到-6dB以上，因此，看不到6dB带宽。其后电容偏差为每单位2.1pF，因为它产生了-10dB阻抗匹配，和百分之七带宽(80MHz)。在这个值时的发射效率，也高于1.6pF时的情况。测量结果再次出现较低的值，这是因为阻抗匹配不好所致，也就是说当不加载和加载2.2pF时，在-8dB到-2dB之间。  仿真和实测的结果表明：当电容低于1.1pF时，发射效率几乎恒定在百分之八十，当电容增大时，发射效率将下降。发射效率在百分之五十以上时的带宽，或多或少地显示出相同的趋势，就是：当电容低于1.1pF时带宽相当恒定(轻微地减小)，当大于1.1pF时迅速地降低.  这就可能在PIFA的开路端，增加一个平板电容，来改善PIFA的性能。总的说来，结果可分为两组：一组是电容小于1.1pF时；另一组是大于1.1pF时  当电容小于1.1pF时，结果是连续的，而当电容大约1.1pF时，就中心频率(最低|S11|)的降低，不变的带宽和发射效率而言，将出现最好的情况。这里，仿真出的中心频率(最低|S11|)，降低了大约百分之三十二，从1.80到1.22GHz。反射系数是-12dB；带宽是百分之九；峰值发射效率是百分之九十一。测量验证了这个趋势，不过该数值有点低，这很可能是由于平板电容损耗引起的。当电容大于1.1pF时，仿真和测量结果表明，由于阻抗匹配不好引起的性能降低将非常大，带宽变窄并且发射效率降低。因此，应该使用低于1.1pF的电容。处于这一原因，将对装有1.11pF电容的原型机，进行更多地研究。    对于没有电容的PIFA，仿真出的中心频率(最低|S11|)，是1.8GHz，而加载了1.06pF平板电容后，降到了1.22GHz。不加载时输出的峰值发射效率是百分之九十一，它比装有1.06pF的平板电容时，高出了百分之六点五。PIFA原型机在不加任何电容时，测量Page 1 of 43g中国 :: 采用容性负载以减小手机的PIFA(二)06-09-2007http://www.3gcn.org/index2.php?option=com_content&task=view&id=24030&Itemid=24...出的中心频率(最低|S11|)是1.63GHz，当装上4.0 × 1.5 mm，间隔为0.1mm的平板电容后(增加的电容是1.11pF)，中心频率降到0.99GHz。在图5中同时还给出了所测的发射效率。当加上电容后，峰值发射效率由百分之八十三，降为百分之六十二。  在仿真和实测中，中心频率出现偏差，主要原因在于：测量电缆；仿真时的理想假设，即无损耗和理想空间，而在原型机中使用的却是Rohacell 材料；以及实际原型机与仿真的模型之间的差异。中心频率(最低|S11|)的相对减小，对于实验结果大约是百分之三十九，对仿真结果是百分之三十二。出现这个差异以及发射效率的降低的原因，是由于电容值略微偏大，以及在原型机中使用了粘带作为衬垫所引起的。    图6中所示的发射模式的全电场分量，表明该40mm长，顶端加载的PIFA几乎具有全向性能。在仿真和测量结果之间，得到了很高的相似性。测量的最大增益是2.1dBi，比仿真的增益稍低。  图7显示的仿真电流分布，解释了顶端加载电容的原理。对于两种天线，即未加载的60mmPIFA，和加载电容的40mmPIFA，都是电流密度在馈电点最大，而开路端终点为0。在开端处的平板电容的效应，在图8中清楚可见。作为在天线臂上位置的函数，与Page 2 of 43g中国 :: 采用容性负载以减小手机的PIFA(二)06-09-2007http://www.3gcn.org/index2.php?option=com_content&task=view&id=24030&Itemid=24...电流密度会减小相关联的波动，是由于Zeland软件公司(弗里蒙特，加州)IE3D电磁(EM)仿真软件的模型定义所引起的；实际上，结果应是连续地减小。两条曲线相互平行，直到PIFA臂上34mm处，它对应了两个平板重叠的点。在这里出现了不连续点，而且与比未加载的60mm长的PIFA相比，电流更快地减小到零。所以，根据顶端装载原理，可以把天线臂的一部分去掉。对于一个固定的中心频率，在60mm长的PIFA中，电容器至少可以取代20mm的长度。    可以在表2中，把加载电容的天线，与60mm长未加载的天线，以及40mm长加载电感的天线，进行关键结果的比较。60mm长未加载的PIFA与两个40mm长加载的天线相比较表明，尺寸减小是以带宽变窄为代价的。使用一个18nH电感器可以得到与1.1pF电容相同的频率降低量，不过具有更高的增益，这可能与在电容中使用的粘带衬垫有关。    针对一个装配在40×100mm底板上方5mm处的介质泡沫上，面积为0.3 cm3小型PIFA，也进行了研究。当将上述40mm长，顶端加载的天线与60mm长未加载的天线相比较时，主要益处是在中心频率(最小|S11|)不变的条件下，减小了天线尺寸，然而却付出Page 3 of 43g中国 :: 采用容性负载以减小手机的PIFA(二)06-09-2007http://www.3gcn.org/index2.php?option=com_content&task=view&id=24030&Itemid=24...关闭  了降低效率和减小带宽的代价。通过使用一个1.1pF的分布电容，实现了测量到的中心频率(最低|S11|)百分之三十九的降低；这个分布电容，由面积为4×1.5mm的平板形成，位于PIFA开路端下面0.1mm处，在底板(地平面)和PIFA之间。在这个位于40×100 mm底板上方5mm处的，面积为0.3cm2的PIFA之中，也用了这样的1.1pF的分布电容。带来的缺点是增加了复杂性，因而提高了天线系统的成本。  作者：Jesper Thaysen，Kaj B. Jakobsen Page 4 of 43g中国 :: 采用容性负载以减小手机的PIFA(二)06-09-2007http://www.3gcn.org/index2.php?option=com_content&task=view&id=24030&Itemid=24...

Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 2:采用容性负载以减小手机的PIFA(二)

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Capacitive loading shrinks mobile PIFAs, Part 1:采用容性负载以减小手机的PIFA(一)

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