原创 采用容性负载以减小手机的PIFA(二)

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