印刷倒F天線的具體設(shè)計過程及注意事項

一、天線設(shè)計簡介

天線的具體設(shè)計過程和原理，天線多頻的實現(xiàn)方法，如何使用電容、電感等集總原件來匹配和改善天線的性能，將自己的天線經(jīng)驗無保留的分享給大家，包括常見的如：蛇形天線、倒F天線、PIFA天線、LOOP天線、縫隙天線和邊框天線等結(jié)構(gòu)的原理和設(shè)計方法。

學(xué)天線的初期需要掌握至少一款電磁仿真軟件，比如HFSS，CST，ADS等，個人建議學(xué)習(xí)HFSS，因為網(wǎng)絡(luò)容易找到一些教程，有利于自己的學(xué)習(xí)和提升。廢話不多說，先來講一講倒F天線的原理，設(shè)計一款天線，首先要明確基本的設(shè)計指標(biāo)，也就是期望的工作頻段，因為工作頻段直接決定了天線的尺寸。如果是印刷天線，還要考慮介質(zhì)板的介電常數(shù)和損耗角正切值，這里我只講介電常數(shù)的影響，損耗角正切值會在后面將會講解。

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例如，現(xiàn)在要求設(shè)計一款工作在2.412GHz–2.472GHz（wifi 11n協(xié)議）的板載行wifi印刷天線，采用FR4介質(zhì)，要求增益大于1.5dBi，電壓駐波比VSWR<2。先來看一看印刷倒F天線的基本結(jié)構(gòu)，如下圖：

印刷倒F天線主要有三個主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即天線的諧振長度L，天線高度H和饋點到接地點間距S（如圖中），其中，諧振長度L用于調(diào)整天線的工作頻率，越短則頻率越高；天線高度H可用于調(diào)整天線的帶寬，H越大，帶寬則越大；S則用于調(diào)整天線的輸入阻抗，S越小，阻抗越大，換句話說，S可以直接用于調(diào)整天線的VSWR性能。

二、設(shè)計過程

下面看具體的設(shè)計過程：

第一步，先計算天線的基本尺寸，以2.45GHz作為中心頻點，則對應(yīng)的自由空間波長：

lambda0 =v/f=122mm，其中v為光速，f為需要的頻率；

第二步，計算單極子天線的長度，這里要注意，通常板載天線使用的都是單極子天子，單極子天線通常采用四分之一個波長，而偶極子天線采用半個波長或一個波長(相關(guān)知識可以在百度上搜索，這里不做過多的重復(fù))，因此，對應(yīng)的單極子天線長度為 ：

1/4*Lambda0=30mm;

第三步，需要考慮FR4介質(zhì)板對天線的影響，作為印刷天線來講，天線一面蝕刻在介質(zhì)板上，另一面裸露在自由空間中，因此，天線的實際長度還會收到介質(zhì)板介電常數(shù)的影響，當(dāng)天線完全處于介質(zhì)中時，其波長：

Lambdae = Lambda0/(e^0.5)(e表示介電常數(shù))

對于印刷天線來講，由于其一半在空氣中，一半在介質(zhì)板上，因此它的長度介于 四分之一個介質(zhì)波長和四分之一個自由空間波長之間，設(shè)計中暫時取中間值，根據(jù)上面的計算，四分之一個介質(zhì)波長為1/4*122/(4.4^0.5)=15mm，因此，可取天線的初始長度為22mm。根據(jù)上圖來看，初始長度即為 天線高度H和諧振長度L的和，我們可以自己定義 H=5mm，L=17mm，S=5mm，天線寬度W=1mm，采用HFSS建立三維仿真模型(具體的建模過程可向作者咨詢)，建立的模型如下：

根據(jù)初始尺寸進(jìn)行仿真，得到如下結(jié)果：

從S11參數(shù)來看，天線的工作頻率覆蓋了2.3G–2.6G(S11<-10)，達(dá)到了我們預(yù)期的設(shè)計要求，下面我們來看一看L，H和S對天線性能的影響，如下圖：

取L1=17mm，L2=16mm，L3=15mm；H1=5mm，H2=5mm，H3=3mm；S1=4mm，S2=5mm，S3=6mm，從以上的仿真結(jié)果，可以非常清晰的看到三個主要常數(shù)對天線性能的影響：即諧振長度L用于調(diào)整天線的工作頻率，越短則頻率越高；天線高度H可用于調(diào)整天線的帶寬，H越大，帶寬則越大；S則用于調(diào)整天線的回波損耗S11性能。具體的影響效果總結(jié)如下：

需要特別注意的是：單極子天線是依賴于地平面而存在的，通過鏡像產(chǎn)生的天線效應(yīng)，受地平面面積的影響較大，所以一旦確定了天線，盡量不要不要改變地平面的面積，否則天線需要重新仿真設(shè)計。具體的大家可以自己仿真嘗試分析。