通訊模塊板載天線設(shè)計(jì)的原理以及方法

蛇形板載天線是無(wú)線通訊模塊應(yīng)用最廣泛的一種天線類型，應(yīng)用在藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等對(duì)性能要求不高、但對(duì)空間要求比較高的領(lǐng)域。作為天線工程師，每次給前端電路工程師調(diào)試設(shè)計(jì)天線的時(shí)候都會(huì)好奇的問(wèn)到：為啥這個(gè)天線要搞成這個(gè)形狀？為什么要選擇性的layout在PCB板的某些區(qū)域？

其實(shí)我們?cè)谧霭遢d蛇形天線設(shè)計(jì)并沒(méi)有這些說(shuō)法，抓住其基本原理，然后可以根據(jù)板載所給凈空區(qū)、結(jié)合天線周圍環(huán)境如金屬、大電容、電感、屏蔽罩等實(shí)際情況，天馬行空的“作畫”滿足設(shè)計(jì)要求即可。

一、原理

1、蛇形天線的電流分布如下圖所示：

圖1 蛇形天線電流方向分析

從圖中可以看出、蛇形走線的相鄰兩個(gè)折彎上電流大小相等、方向相反；從電磁場(chǎng)產(chǎn)生的原理，如果蛇形走線相鄰兩個(gè)折彎無(wú)限靠近時(shí)，電磁輻射完全抵消，不對(duì)外輻射能量，增益很差。故在設(shè)計(jì)走線的時(shí)候一定要結(jié)合給定的天線“凈空區(qū)”平衡天線面積與小型化要求，不能沒(méi)有原則的退讓，以犧牲天線的增益來(lái)?yè)Q取產(chǎn)品的美觀。

2、當(dāng)前常見(jiàn)的蛇形天線主要有以下幾種，如圖：

圖①、②為普通的單極蛇形天線。圖③為帶寄生的蛇形走線，寄生單元可以增加帶寬。圖④為單極蛇形的變形-倒F天

二、實(shí)例設(shè)計(jì)演示

現(xiàn)在我們以B類結(jié)構(gòu)為例，來(lái)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)一個(gè)2.45GHz的B類天線結(jié)構(gòu)模型，天線每一段的彎折情況及個(gè)段的結(jié)構(gòu)如下：

圖3 天線初始尺寸設(shè)置

HFSS模型建立要注意，由于本文所設(shè)計(jì)的為單極子天線，因此設(shè)計(jì)中要充分考慮地平面對(duì)天線的影響，地平面需要有足夠大的面積，以使得天線能夠獲得較好鏡像，實(shí)現(xiàn)f射，模型如下：

圖4 HFSS模型

回波損耗S11仿真：

圖5 S11仿真結(jié)果

從仿真圖中可以看出，S11的仿真結(jié)構(gòu)是比較好的，完全可以達(dá)到2.45GHz的工作頻段和帶寬要求。可能有的朋友會(huì)有疑問(wèn)，因?yàn)橛行┡笥咽翘炀€的初學(xué)者或者經(jīng)驗(yàn)不足，可能設(shè)置初始尺寸時(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，從而導(dǎo)致初始尺寸的仿真結(jié)構(gòu)較差，比如工作頻點(diǎn)與預(yù)期的偏差較大，S11太大等等，這些情況都是存在的?，F(xiàn)在我們就來(lái)分析下出現(xiàn)這類情況的時(shí)候我們應(yīng)該怎么來(lái)解決：

1、工作頻點(diǎn)調(diào)整

天線的諧振頻段是由天線的有效電流路徑長(zhǎng)度決定的，因此要調(diào)整工作頻段，就要考慮從天線的物理長(zhǎng)度入手。

通常，我們?cè)O(shè)計(jì)中需要在蛇形天線的末端預(yù)留一段用變量表示的枝節(jié)，如下圖所示最右端所標(biāo)示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的枝節(jié)，做優(yōu)化時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的改變此段長(zhǎng)度即可，例如，我現(xiàn)在在剛剛建立的模型上做一個(gè)示例，令L分別等于1.5mm，2mm，2.5mm和3mm時(shí)，來(lái)求解其對(duì)應(yīng)的工作頻段，求解結(jié)果如下：

圖6 L的長(zhǎng)度對(duì)諧振頻點(diǎn)的影響

從圖中看到，L變化時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生非常明顯的變化，隨著L減小，天線的諧振頻率隨之下降。

2、 S11改善

S11的決定因素是天線的輸入阻抗，通常，單極子天線默認(rèn)的輸入阻抗為50歐姆，當(dāng)所設(shè)計(jì)的天線輸入阻抗無(wú)限接近50歐姆時(shí)，則S11將逼近無(wú)限小，反之，當(dāng)輸入阻抗偏離50歐姆時(shí)，則S11將變差，換句話說(shuō)，輸入阻抗偏離50歐姆越大，則S11越差。對(duì)于本文中所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)，如下圖所示的L2短路枝節(jié)，可以通過(guò)調(diào)整L2的長(zhǎng)度來(lái)改變天線在2.45GHz頻段上的輸入阻抗大小，進(jìn)而調(diào)整S11參數(shù)。我現(xiàn)在在模型上做一個(gè)示例，令L2分別等于4mm，4.5mm，5mm，5.5mm和6mm，來(lái)看其對(duì)應(yīng)的S11的值，仿真結(jié)果如下：

圖7 短路枝節(jié)L2對(duì)S11的影響

從圖中看出，L2長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，天線的諧振頻率幾乎保持不變，但是S11卻有非常明顯的變化，隨著L2長(zhǎng)度增加，S11逐漸變好。因此實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)調(diào)整短路枝節(jié)來(lái)改善S11參數(shù)。蛇形天線的結(jié)構(gòu)多種多樣，各位朋友一定要打開(kāi)思路，嘗試不同的彎折方式，將會(huì)收獲意想不到的結(jié)果。

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