Chapter 3

  • Uploaded by: Anil Bhardwaj
  • 0
  • 0
  • May 2020
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Chapter 3 as PDF for free.

More details

  • Words: 4,210
  • Pages: 20
CHAPTER‐3 

Chapter­3  Designing theory of multiband antenna  

  3. Introduction  In this work, an antenna for mobile phone is designed. This design is based  on  Planar  Inverted‐F  antenna  (PIFA).  For  this  purpose,  different  shape  antennas  are  studied  and  designed.  Then  a  new  design  has  been  formed.  Introduction  of  Planar  Inverted  Antennas  has  been  covered  in  chapter‐1.  Following  section  will  describe  the  derivation  of  PIFA,  different  techniques  for  size  reduction  and  bandwidth enhancement. 

3.1

The Derivation of the PIFA [35]    The inverted‐F (IFA) family of antennas presents a popular alternative for 

low  profile  omni‐directional  applications.  The  basis  for  the  planar  inverted‐F  antenna originated from the inverted‐L antenna (ILA) (Figure 3.1). The inverted‐L  antenna is an end‐feed short monopole with a horizontal wire element placed on  top that acts as a capacitive load.  This  antenna  is  essentially  a  microstrip  coaxial  connection  with  the  inner  conductor  in  free  space  and  bent  at  a  right  angle  in  such  a  way  that  the  inner  conductor  end  forms a  horizontal  element  that  is  parallel  with  the  ground  plane.  The outer conductor is extended to form the ground plane. The resulting structure  possesses  a  short  monopole  element  as  a  vertical  element  and  a  wire  horizontal  element, which is attached to the end of the monopole.   

‐ 21 ‐   

CHAPTER‐3 

  Figure 3.1 The Inverted­L Antenna.    The  inverted‐L  antenna  is  an  attractive  alternative  because  of  its  simple  layout. The design is uncomplicated and can be easily manufactured with low cost  materials. Additionally, many of the electrical characteristics of the inverted‐L are  similar to those of the well understood short monopole.  The  radiation  pattern  of  the  inverted‐L  is  nearly  identical  to  that  of  the  short  monopole.  A  z‐directed  short  monopole  produces  a  pattern  that  is  omni‐ directional and maximum in the azimuth plane and has nulls at θ = 0°, 180°  (along  the  z‐axis).  The  inverted‐L  oriented  with  its  radiating  element  in  the  z‐direction  will also have a pattern that is omni‐directional in the azimuth plane. The inverted‐ L however has an additional E‐component due to the horizontal arm. The non‐zero  currents along the horizontal arm cause the radiation pattern in the azimuth plane  to deviate slightly from omni‐directional. The input impedance of the inverted‐L is  similar  to  that  of  the  short  monopole:  low  resistance  (RILA)  and  high  reactance  (XILA).  Low  order  approximations  for  the  input  resistance  and  reactance  of  the  inverted‐L are [22]:   

⎛ 2π RILA = 40 ⎜ ⎝ λ

X ILA

⎞ h⎟ ⎠

2

2

h ⎞ a ⎛ ⎜1 − ⎟ T = 1 −                                                                                (3.1)  h ⎝ h+L⎠

h ⎞⎡ ⎛ T 3h ⎤ h −60h ⎜ 2 − La − LaT − ⎥ ⎟⎢ 3h 1 20a h+L⎠ ⎢ ⎝ 3 4 ⎥               (3.2)  4 + = − − + log 2 a 3 9h h2 L2 a + 9h 2 + 4 ⎥ (h + L) k ⎢ 2 L + ⎢ ⎥ a 4 ⎣ ⎦ ‐ 22 ‐ 

 

CHAPTER‐3 

Where,  L  is  the  length  of  the  horizontal  loading  section,  h  is  the  height  of  the  radiating  section,  a  is  the  radius  of  the  antenna,  k = number, La = L + a and T = 1 −



λ

  is  the  wave 

a .   h

Complete  closed  form  derivations  for  both  the  input  resistance  and  reactance can be found in [22]. Equations (3.1) and (3.2) are plotted in Figure 3.2.  As can be seen from Figure 3.2, the relatively low resistance and high reactance for  useful  antenna  dimensions  make  the  inverted‐L  difficult  to  impedance  match  to  typical feed lines. 

  Figure 3.2 Inverted­L antenna input resistance and reactance from eqn. (3.1)  and (3.2) [35].      As  the  height  of  the  vertical  element  is  restricted  to  only  a  fraction  of  a  wavelength,  the  ILA  has  a  very  low  profile  structure.  The  horizontal  element  is  normally set to a quarter of a wavelength. As a result, the ILA has low impedance  with a magnitude similar to a short monopole. In order to increase the impedance  ‐ 23 ‐   

CHAPTER‐3 

of  the  ILA,  another  inverted‐L  element  must  be  incorporated  into  the  original  antenna,  with  one  end  of  the  inverted‐L  element  connected  to  the  bend  of  the  original ILA and the other end shorted to the ground plane. The new antenna now  appears  to  have  an  inverted‐F  configuration:  hence  the  name  inverted‐F  antenna  (IFA).  The  inverted‐F  is  a  variation  on  the  inverted‐L  that  modifies  the  input  impedance  to  be  nearly  resistive  and  thus  provides  reduced  mismatch  loss.  The  inverted‐F antenna is known as a “shunt‐driven inverted‐L antenna‐transmission  line with an open end".  

    Figure 3.3 The Inverted­F Antenna [35]    This additional inverted‐L segment adds a convenient tuning option to the  original  inverted‐L  antenna  and  greatly  increases  the  antenna  usability.  The  location  of  the  feed  point,  S,  along  the  length  of  the  upper  element  provides  the  impedance  tuning  mechanism.  The  input  impedance  behavior  of  the  inverted‐F  antenna is similar to that of a  transmission line antenna of length (H +L) with its  feed located at the tap point, S.  This feature of the IFA allows any additional matching circuitry of the ILA to  be  discarded,  resulting  in  the  IFA  being  a  more  practical  antenna.  Despite  its  relatively simple design, the design of an optimal IFA is not unique. Variations in  the height of the radiator, the  length of the horizontal element as well as the tap  point all impact the electrical performance characteristics of the IFA.  ‐ 24 ‐   

CHAPTER‐3 

The low profile of the IFA, as well as its performance with two polarizations  facilitates the antenna for urban environmental use, especially in conjunction with  mobile applications.  One major drawback of the IFA is the lack of bandwidth. This issue can be  resolved  by  converting  the  horizontal  wire  element  into  a  plate.  The  resulting  antenna,  shown  in  Figure  3.4,  is  referred  to  as  the  planar  inverted‐F  antenna  (PIFA). 

  Figure 3.4 The Planar Inverted­F antenna (PIFA) [35].  The  compact  size  of  the  PIFA  makes  it  a  suitable  candidate.  This  unobtrusive design makes it ideally suited for mobile and handheld situations and  complies  with  our  low  profile  design  goal.  Accidental  damage  to  the  antenna  via  unintentional contact with other objects is avoided. The size and aspect ratio of the  top  radiating  plate,  the  height  of  the  plate  above  the  ground  plane,  the  size  and  position  of  the  ground  strap  and  the  feed  point  location  all  have  considerable  impact on the electrical performance of the antenna.  Additionally,  the  PIFA  offers  very  high  radiation  efficiency  and  sufficient  bandwidth  in  a  compact  antenna.  A  bandwidth  of  10%  can  be  realized  with  the  PIFA.   The  design  variables  for  this  antenna  are  the  height,  width,  and  length  of  the top plate, the width and location of shorting plate, and the location of the feed  wire.    ‐ 25 ‐   

CHAPTER‐3 

3.1.1  PIFA Dimensions  The  size  of  the  PIFA  radiating  top  plate  can  be  calculated  approximately  using [35]: 

λcenter = 4( L + W )                                                                                                                        (3.3)  Where,  L  and  W  are  the  length  and  width  of  the  plate,  respectively.  The  resonant  frequency  is  also  influenced  by  the  aspect  ratio  of  the  top  plate  (W/L).  The  width  of  the  grounding  strap,  S,  in  relation  to  the  width  of  the  radiating  top  plate  is  also  particularly  important  in  determining  the  radiating  behavior  of  the  PIFA. Figure 3.5, shows how the current flow on the surface of the top plate varies,  with different top plate and grounding strap configurations.   

   

Figure 3.5 Surface current on PIFA top plate for various top plate aspect  ratios and grounding strip widths [35].   

In  general,  a  greater  top  plate  aspect  ratio  will  result  in  a  lower  the  resonant frequency for a given grounding strap width. For an aspect ratio of W/L >  1,  there  is  an  inflection  point  in  the  resonant  frequency  when  W‐S  =  L  and  the  resonant  frequency  begins  to  increase  with  increasing  aspect  ratio.  As  seen  in  ‐ 26 ‐   

CHAPTER‐3 

Figure  3.5,  the  current  on  the  planar  element  generally  flows  to  the  open‐circuit  edge on the long side of the top plate when W‐ S < L. When W‐S  > L, the current  flows to the open circuit edge along the short side of the top plate.  The inflection point in the resonant frequency is attributed to this change in  current  flow.  The  inflection  point  can  be  seen  clearly  in  the  case  of  W  =  L  and  where  S  <<  W,  the  current  flows  almost  equally  along  the  both  the  W  and  L  dimensions.  Like the resonant frequency of the PIFA, the relative impedance bandwidth  is affected by the design of the structure. The height of the radiating top plate, H ,  and the width of the grounding strap, have the greatest influence on the bandwidth  of the PIFA. In general, the bandwidth increases with increasing top plate height.  However,  as  the  height  of  the  top  plate  approaches  the  magnitude  of  L  =  W,  the  height  begins  to  influence  the  resonant  frequency.  When  the  grounding  strap  width is very small, S << W, the resonant frequency is given by: 

λcenter = 4( L + W + H )                                                                                                                (3.4)  The  width  of  the  grounding  strap  similarly  affects  the  bandwidth.  The  limiting  case,  where  the  grounding  strap  is  the  same  width  as  the  top  plate,  the  bandwidth  of  the  PIFA  is  greatest.  This  case  corresponds  to  the  operation  of  a  short circuited microstrip antenna.  The  PIFA  with  a  W/L  =  2.0  and  H/λ0  =  0.053  has  a  relative  bandwidth  of  10%. As the width of the grounding strap decreases, the relative bandwidth of the  PIFA  decreases.  The  bandwidth  of  a  PIFA  with  the  grounding  strap  width  much  less than the width of the top plate (S/W≤0.1) can be reduced to below 1%.  There  are  several  procedures  available  for  designing  PIFAs  and  many  different PIFA layouts may satisfy the same design criteria.        

‐ 27 ‐   

CHAPTER‐3 

3.2  Some  Points  to  be  Considered,  while  Designing  Mobile Phone Antenna:   1. Antenna size should be small  2. Operating bandwidth should be wider  3. Radiation efficiency should be higher  4. Less power consumption  Many  of  the  techniques  are  used  to  improve  the  performance  of  the  antenna.  Some  of  these  techniques  are  for  size  reduction,  some  for  bandwidth  enhancement,  and  some  for  improving  efficiency  and  power  consumption.  At  a  time, the one technique used to improve one constrain, can degrade the other one.  So  we  have  to  take  a  good  trade  off  between  the  various  constrains  for  better  performance. This work is focused to form geometry of reduced size and the wider  bandwidth, with less power consumption. The techniques used for size reduction  and bandwidth enhancement will be discussed in the following section.   

3.3  Antenna Size Reduction Techniques [1]:  The  miniaturization  of  the  microstrip  antenna  can  be  achieved  using  several approaches:  

3.3.1 Employing 



Dielectric 

Material 

of 

Higher   

Permittivity  From  equation  (1.1),  it  is  found  that  the  radiating  patch  of  the  microstrip  antenna has a resonant length approximately proportional to

1

εr

, and the use of a 

dielectric substrate with a larger permittivity thus can result in a smaller physical  antenna length at a fixed operating frequency. But higher  ε r  increases the surface  wave effect which leads poor performance. i.e., low radiation efficiency and lower  bandwidth.  ‐ 28 ‐   

CHAPTER‐3 

The high dielectric constant of the substrate is not very appropriate for our  purpose. Therefore, the method based on capacitive loading, and the method that  involves slots for longer current path along the patch edges have been chosen for  bandwidth improvement.   

3.3.2 Capacitive  Loading  of  the  Patch  Structure  (Radius  of  shorting pin> radius of feed probe)  Another  technique  for  size  reduction  is  the  use  of  an  edge‐shorted  patch  (Reduces the resonant frequency). The shorting pin located close to the feed point  results in a significant reduction in overall patch size. The typical RLC circuit used  to describe a probe feed patch is loaded with a parallel LC circuit. The shorting pin  effect  on  the  input  impedance  of  the  antenna  can  be  represented  by  the  LC  combination.  “When  shorting  pin  is  located  near  the  feeding  point,  a  strong  capacitive  coupling  or  loading  is  produced  due  to  which  surface  electrical  current  path  is  increased.    This  results  in  cancelling  the  inductive  nature  of  a  patch  below  resonance.  Therefore,  the  amount  of  capacitive  loading  induced  determines  the  ultimate  reduction  in  size”.  It  makes  a  microstrip  antenna  act  as  a  quarter‐ wavelength structure and thus can reduce the antenna’s physical length by half at a  fixed operating frequency. When a shorting plate (Figure. 3.6(b)) or a shorting pin  (Figure.  3.6(c))  is  used  instead  of  a  shorting  wall  (Figure.  3.6(a)),  further  reductions in both the antenna’s fundamental resonant frequency and size can be  obtained. However, with the use a dielectric substrate with larger permittivity and  overall size reduction at a fixed operating frequency, the impedance bandwidth of  a microstrip antenna is usually decreased.    

‐ 29 ‐   

CHAPTER‐3 

  (a) 

  (b) 

   (c)  Figure 3.6 Configurations of a rectangular patch antenna with (a) a shorting  wall, (b) a shorting plate or partial shorting wall and (c) a shorting pin [1].    With the shorting pin technique, the antenna size reduction is mainly due to  the shifting of the null‐voltage point at the center of the rectangular patch (excited  at  TM01  mode)  and  the  circular  patch  (at  TM11  mode)  to  their  respective  patch  edges, which makes the shorted patches resonate at a much lower frequency. So,  size is reduced and the reduction in size is limited by the distance between null‐ voltage point in the patch and the patch edge.  ‐ 30 ‐   

CHAPTER‐3 

 

There  is  also  a  significant  dependency  of  resonant  frequency  on  shorting 

pin  position.  Also,  in order  to  get  a  good  matching  condition,  the  feed  position  is  placed closer to the shorting pin. When the feed position is away from the shorting  pin, the resonant input resistance quickly increases.   

3.3.3 Meandering of Radiating Patch  Meandering  the  excited  patch  surface  current  paths,  in  the  antenna’s  radiating  patch,  is  also  an  effective  method  for  achieving  a  lowered  fundamental  resonant  frequency  for  the  microstrip  antenna.  For  the  case  of  a  rectangular  radiating patch, the meandering can be achieved by inserting several narrow slits  at  the  patch’s  non‐radiating  edges.  It  can  be  seen  in  Figure  3‐7  that  the  excited  patch’s surface currents are effectively meandered, leading to a greatly lengthened  current path for a fixed patch linear dimension. This behavior  results in a greatly  lowered  antenna  fundamental  resonant  frequency,  and  thus  a  large  antenna  size  reduction at a fixed operating frequency can be obtained. 

  Figure 3.7 Surface current distributions for meandered rectangular  microstrip patches with meandering slits [1].    If  we  use  shorting  pin  and  meandering  in  conjunction  with:  The  shorting  pin  makes  the  patch  resonate  at  a  much  lower  frequency  and  the  narrow  slots  meander the patch, which increases the effective electrical length of patch.  These  two  factors  effectively  reduce  the  required  size  for  an  antenna  operated at a given frequency. With increasing slot length, the resonant frequency  ‐ 31 ‐   

CHAPTER‐3 

of the meandered patch decreases. But slot width has relatively little effect on the  resonant frequency.  Slots  in  patch  produce  additional  capacitive  reactance,  while  shorting  pin  with probe contribute inductive reactance.   

3.3.4 Use of Inverted U­Shaped or Folded Patch Antenna  Surface  current  lengthening  for  a  fixed  patch  projection  area,  can  also  be  obtained  by  using  an  inverted  U‐shaped  patch  [Figure  3.8(a)],  a  folded  patch  [Figure  3.8(b)].  With  these  microstrip  patches,  the  resonant  frequency  can  be  greatly  lowered  compared  to  a  regular  single‐layer  microstrip  antenna  with  the  same projection area. Note that the resonant frequency is greatly lowered due to  the  bending  of  the  patch  surface  current  paths  along  the  antenna’s  resonant  or  excitation direction. 

  (a)  

  (b)   Figure 3.8 Geometries of stacked shorted patch antennas (a) U­shaped  patch (b) folded patch [1]. 

      ‐ 32 ‐   

CHAPTER‐3 

3.3.5  Use of Lumped Elements  Size  of  antenna  can  be  reduced  by  using  lumped  elements  in  the  antenna  structure.  These  change  the  current  distribution  on  the  patch  and  can  lower  the  resonant frequency.   

  Figure 3.9 Geometry of a compact broadband microstrip antenna with chip­ resistor loading [1].   

3.4    Bandwidth Enhancement Techniques [1]:  The bandwidth enhancement of the microstrip antenna can be achieved by  using  several  approaches.  Problem  of  achieving  a  wide  impedance  bandwidth  (greater  than  or  about  10%  suitable  for  present  day  cellular  communication  system)  for  a  compact  microstrip  antenna  is  becoming  an  important  topic  in  microstrip antenna design. Broadband operation has been achieved with the use of  two stacked shorted patches.  The  main  relationships  among  various  parameters  having  influence  on  bandwidth are follows [25]:   

fu − fl 1 ∞            fr Q

 

 

 

 

L                                        R C

 

 

 

                                              (3.6) 

Bandwidth = Q=

‐ 33 ‐   

 

                  (3.5) 

CHAPTER‐3 

Q∞ 1 S                                             

 

  

 

                                              (3.7) 

  where,  fu  and  fl  are  upper  and  lower  frequency  of  bandwidth,  fr  is  resonant  frequency,  Q  is  quality  factor,  R  is  loss  component  of  antenna,  L  is  inductive  component  of  antenna,  C  is  capacitive  component  of  antenna,  S  is  volume  of  antenna.  The most frequently used method to broaden the bandwidth is to raise the  height  of  the  shorting  plane  i.e.;  increase  the  volume.  Bandwidth  is  affected  very  much by the size of the ground plane. By varying the size of the ground plane, the  bandwidth of a PIFA can be adjusted. For example, reducing the ground plane can  effectively  broaden  the  bandwidth  of  the  antenna  system.  Several  slits  at  the  ground  plane  edges  can  be  inserted  to  reduce  the  quality  factor  of  the  structure  (and  to  increase  the  bandwidth).  Bandwidth  enhancement  of  a  PIFA  can  also  be  achieved  by  several  efficient  approaches,  namely  using  dual  resonance  by  additional  patch  that  is  adding  capacitive  load,  loading  dielectric  with  high  permittivity,  attaching  chip  resistor  that  is  increasing  loss  term.  In  the  following  section all these techniques are discussed in detail.   

3.4.1 Increasing the Height (h) of Substrate  By increasing the height of the substrate, bandwidth can be extended (up‐to  about 35%). Impedance bandwidth of PIFA is inversely proportional to the quality  factor Q that is defined for a resonator [25]:    Q = Energy Stored / Energy dissipated    Substrates with high dielectric constant (εr) tend to store energy more than  radiate it. This is equivalent by modeling the PIFA as a lossy capacitor with high εr,  thus leading to high Q value and obviously reducing the bandwidth. Similarly when  the substrate thickness is increased the inverse proportionality of thickness to the  ‐ 34 ‐   

CHAPTER‐3 

capacitance  (as  C=  ε0.Area/h)  decreases  the  energy  stored  in  the  PIFA  and  the  Q  factor  also.  In  summary,  the  increase  in  height  and  decrease  of  εr  can  be  used  to  increase the bandwidth of the PIFA.  Figure  3.10  shows  the  effect  of  substrate  thickness  on  impedance  bandwidth  and  efficiency  for  two  values  of  dielectric  constants.  While  the  bandwidth  increases  monotonically  with  thickness,  a  decrease  in  the  ε r   value  increases the bandwidth.  

        

 

Figure 3.10 Effect of substrate thickness on impedance bandwidth and  efficiency, for two dielectric constants [34].   

3.4.2  Use of Chip Resistor of Low Resistance (usually on the  order of 1Ω resistor is connected between patch & ground  plate)  As we know that bandwidth is inversely proportional to the quality factor  (Q).  Moreover,  owing  to  the  introduced  small  ohmic  loss  of  the  chip  resistor,  the  quality  factor  of  the  microstrip  antenna  is  greatly  lowered.  So  bandwidth  is  increased. 

‐ 35 ‐   

CHAPTER‐3 

  Figure 3.11 Geometry of a chip­resistor­loaded rectangular microstrip  antenna with a probe feed [1].    Resistor  should  be  placed  at  the  edge  opposite  to  the  feed  for  maximum  resonant  frequency  reduction.  Antenna  gain  is  reduced  due  to  above  technique.  Bandwidth can be enhanced by considering the effect of the chassis dimension. If  chassis  resonates  at  the  operating  frequency  of  the  antenna  element,  the  bandwidth of the antenna‐chassis combination will improve considerably.   

3.4.3  Using two (or more) Stacked Shorted Patches  By using two (or more) stacked shorted patches and making both  patches  radiate  at  as  equally  as  possible  and  having  a  radiation  quality  factor  as  low  as  possible,  one  can  obtain  enhanced  impedance  bandwidth  for  a  fixed  antenna  volume.   

  (a)  ‐ 36 ‐   

CHAPTER‐3 

 

  (b)   Figure 3.12 Shorting wall (a) Offset shorting wall (b) A common  shorting wall [1].     

3.5  Some  other  Parameters,  to  be  Considered  in  PIFA   Designing:  3.5.1   Resonant Frequency   The resonant frequency of PIFA can be approximated with [25]:  L + W = λ /4    

(refer figure 3.4) 

When, S/W=1 then W + H = λ /4       

 

 

 

 

              (3.8) 

 

 

 

 

             

When, S=0 then L + W + H = λ /4  The resonant frequency of the PIFA is proportional to the effective length of  the  current  distribution.  The  introduction  of  an  open  slot  reduces  the  frequency,  due  to  the  fact  that  there  are  currents  flowing  at  the  edge  of  the  shaped  slot,  therefore  a  capacitive  loaded  slot  reduces  the  frequency  and  thus  the  antenna  dimensions  drastically.  The  same  principle  of  making  slots  in  the  planar  element  can  be  applied  for  dual  frequency  operation  as  well.  Changes  in  the  width  of  the  planar  element  can  also  affect  the  determination  of  the  resonant  frequency.  The  width of the short circuit plate of the PIFA plays a very important role in governing  its  resonant  frequency.  Resonant  frequency  decreases  with  the  decrease  in  short  ‐ 37 ‐   

CHAPTER‐3 

circuit plate width, S. Unlike micro‐strip antennas that are conventionally made of  half  wavelength  dimensions,  PIFA’s  are  made  of  just  quarter  wavelength.  Analyzing  the  resonant  frequency  and  the  bandwidth  characteristics  of  the  antenna can be easily done by determining the site of the feed point, at which the  minimum reflection coefficient is to be obtained.   

3.5.2  Radiation Pattern  The  radiation  pattern  of  the  PIFA  is  the  relative  distribution  of  radiated  power as a function of direction in space. In the usual case the radiation pattern is  determined  in  the  far‐field  region  and  is  represented  as  a  function  of  directional  coordinates. Radiation properties include power flux density, field strength, phase,  and polarization.   

3.5.3   Electric Field Distribution  The  dominant  component  of  the  electric  field  Ez  is  equal  to  zero  at  the  short‐circuit plate while the intensity of this field at the opposite edge of the planar  element  is  significantly  large.  For  fields  Ex  and  Ey,  there  is  pointing  part,  which  corresponds  to  the  feed  source.  This  means  that  the  electric  lines  of  force  are  directed from feed source to the ground plane. When the width of the short circuit  plate  is  narrower  than  the  planar  element,  the  electric  fields  Ex  and  Ey  start  generating at all open circuit edges of the planar element. These fringing fields are  the radiating sources in PIFA.   

3.5.4   Current Distribution  PIFA has very large current flows on the undersurface of the planar element  and the ground plane compared to the field on the upper surface of the element.  Due  to  this  behavior  PIFA  is  on  of  the  best  candidate  when  is  talking  about  the  influence of the external objects that affect the antenna characteristics (e.g. mobile  operator’s  hand/head).  PIFA  surface  current  distribution  varies  for  different  ‐ 38 ‐   

CHAPTER‐3 

widths  of  short‐circuit  plates.  The  maximum  current  distribution  is  close  to  the  short  pin  and  decreases  away  from  it.  The  ground  surface  waves  can  produce  spurious  radiations  or  couple  energy  at  discontinuities,  leading  to  distortions  in  the  main  pattern,  or  unwanted  loss  of  power.  The  surface  wave  effects  can  be  controlled by the use of photonic band gap structures or simply by choosing air as  the  dielectric.  This  solves  the  limitation  of  poor  efficiency  as  well  along  with  certain degree of bandwidth enhancement.   

3.5.5   Ground Plane Effects  It  is  assumed  that  a  large  ground  plane  is  used  for  antenna  designing.  A  detailed  study  on  the  effects  of  operating  the  PIFA  in  a  reduced  ground  plane  environment is presented in [20]. The size of the ground plane plays an important  role in the behavior of the PIFA.  The  resonant  frequency,  input  impedance,  bandwidth  and  gain  are  all  impacted when the PIFA is operated over a finite size ground plane. The resonant  frequency  for  a  PIFA  with  a  fixed  top  element  and  grounding  strap  size  tends  to  remain  fairly  constant  for  large  ground  plane  sizes.  As  the  ground  plane  size  is  reduced,  the  value  of  the  resonant  frequency  oscillates  around  the  value  for  the  infinite ground plane case until the ground plane size reaches about 0.2λ in length.  At that point, the resonant frequency is highly dependent on the size of the ground  plane and it increases linearly with decreasing ground plane size.  The relative bandwidth of the PIFA increases with increasing ground plane  size. As in the center frequency case, the relative bandwidth oscillates around the  value  of  the  infinite  ground  plane  case.  However,  the  PIFA  relative  bandwidth  exhibits  a  stronger  dependence  on  ground  plane  size  than  the  center  frequency  does for larger ground planes. It is reported in [20] that a ground plane size of at  least  0.8  λ  is  required  to  achieve  the  desired  8%  impedance  bandwidth  of  the  Cellular band.  The gain of the PIFA is influenced by the size of the ground plane as well.  The gain of the PIFA increases with increasing ground plane size. It then reaches a  ‐ 39 ‐   

CHAPTER‐3 

local  maximum  around  0.9  λ  and  begins  to  oscillate  to  the  infinite  ground  plane  case  of  nearly  5  dB.  To  achieve  the  desired  3  dB  in  gain  for  the  Cellular  band,  a  ground plane of at least 0.5 λ is required [20, 21].   

‐ 40 ‐   

Related Documents

Chapter 3
May 2020 11
Chapter 3
June 2020 8
Chapter 3
June 2020 7
Chapter 3
May 2020 11
Chapter 3
June 2020 14
Chapter 3
December 2019 20

More Documents from ""