利用模擬分析設計基板天線(xiàn)
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天線(xiàn)主要功能是將纜線(xiàn)與print pattern傳來(lái)的電氣信號轉換成電波釋放至自由空間，或是捕捉漫游在自由空間的電波并轉換成電氣信號，因此對通信電子產(chǎn)品而言，天線(xiàn)是非常重要的元件。天線(xiàn)設計涉及放射特性、beam寬度、等化等諸多要素，加上必需反覆不斷的進(jìn)行cut與try，特性量測時(shí)還需大費周章架設電波暗室、oven sit等設備，因此工程師都將天線(xiàn)設計視為畏途。由于模擬分析技術(shù)相當進(jìn)步，尤其是電磁界模擬分析經(jīng)過(guò)整合后，已經(jīng)可以分析print pattern構成的天線(xiàn)特性(亦即所謂的基板型天線(xiàn))。因此本文要介紹如何利用模擬分析，探討負責電波輸出入的基板型天線(xiàn)動(dòng)作機制與設計技巧。設計重點(diǎn)如圖1所示基本上天線(xiàn)是將特性阻抗(impedance)Z0的回路與空間整合(matching)的電子元件，因此良好的整合可使高頻電力變成電波高效率釋放至自由空間，并與遠方的收信機進(jìn)行交信，同時(shí)還可接收遠方傳來(lái)的微弱電波。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/156137.htm設計天線(xiàn)必需根據系統要求的放射特性、容許形狀、容許大小等要件選擇天線(xiàn)的型式，接著(zhù)利用模擬分析或是實(shí)際試作修改缺失，才能決定天線(xiàn)最終的形狀與大小。
圖1 天線(xiàn)的基本動(dòng)作原理
目前已商品化的高頻通信系統，幾乎都是使用頻寬極窄的高頻信號進(jìn)行送、收信，設計這類(lèi)天線(xiàn)時(shí)必需把握下列兩項要點(diǎn)，分別是:
①利用中心頻率使其共振，而且reactance成份必需為0。
②信號輸入至天線(xiàn)的點(diǎn)必需是傳輸線(xiàn)路的連接點(diǎn)(供電點(diǎn))與阻抗、傳輸線(xiàn)路作妥善的整合(matching)。
Monopole天線(xiàn)的模擬分析
(a)晶片型多層天線(xiàn) (b) 晶片型誘導體天線(xiàn) (c)藍芽用陶瓷patch天線(xiàn)
照片1 晶片化天線(xiàn)的外觀(guān)
圖2 典型的天線(xiàn)外觀(guān)
接著(zhù)以圖2(a)結構最簡(jiǎn)易的Monopole天線(xiàn)為例，并利用電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)說(shuō)明基板型天線(xiàn)的設計技巧。圖3是12.5GHz Monopole天線(xiàn)，長(cháng)約λ/4的prints pattern一邊呈開(kāi)放狀，印刷基板厚度為0.8mm，誘電率為2.2，印刷基板的背面呈自由空間狀態(tài)，print pattern的尺寸為1.0mm(寬)×4.75mm(長(cháng))。
圖3 利用單層基板制作12.5GHz Monopole天線(xiàn)
圖4是根據電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)分析后，獲得的天線(xiàn)輸入阻抗頻率特性與return loss特性。由圖4(a)可知，marker 1為12.5GHz時(shí)，reactance成份會(huì )變成0，該頻率會(huì )使天線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生共振，此時(shí)阻抗值大約是50Ω。由圖4(b)可知12.5GHz時(shí)return loss大約是21.6dB，輸出至天線(xiàn)的電力反射低于1%，根據模擬分析求得的天線(xiàn)特性，12.5GHz時(shí)的放射效率大約是99.3%，也就是說(shuō)實(shí)際上可將這種接近無(wú)反射現象，視為輸入電力全部釋放至自由空間。
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b) return loss的頻率特性
圖4 12.5GHz Monopole天線(xiàn)模擬分析后的
輸入阻抗與return loss的頻率特性
放射特性分析
圖5是頻率為12.5 GHz時(shí)的print pattern表面的電流分炎純觶煌6是利用上述模擬軟體分析放射特性獲得的結果。由圖5可知由于print pattern呈開(kāi)放狀，因此電流值為0；此外根據圖6的放射特性結果可知，電波是以天線(xiàn)為中心軸呈圓環(huán)狀放射，沿著(zhù)print pattern的軸心方向幾乎無(wú)電波放射。根據以上結果獲得一項結論，那就是利用模擬分析可從任意角度觀(guān)察電波放射狀況。
圖5 Monopole天線(xiàn)利用模擬
分析后的電流分炎刺
圖6 Monopole天線(xiàn)模擬分析后的放射特性
print pattern的寬度與共振頻率的關(guān)系
若設計類(lèi)似圖2(a)所示的Monopole天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)長(cháng)度就成為設計重點(diǎn)，因為天線(xiàn)的長(cháng)度決定天線(xiàn)的共振頻率，亦即天線(xiàn)的適用頻率；相較之下print pattern天線(xiàn)的場(chǎng)合，print pattern的寬度則比長(cháng)度重要。為了解print pattern的寬度對天線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生那些影響，因此利用上述模擬軟體進(jìn)行分析。此處假設圖2(a) print pattern的寬度從1.0mm變成圖7的0.25mm；圖8則是模擬分析后獲得的阻抗特性與return loss特性。圖9與圖10分別是頻率為12.5GHz時(shí)的print pattern表面的電流分炎純鲇氳綺ǚ派涮匭浴
由圖8(b)可知，print pattern寬度一旦變窄，共振頻率也隨著(zhù)降低；如果圖8(a)的阻抗特性與圖4(a)比較時(shí)，print pattern寬度一旦變窄，軌跡會(huì )變長(cháng)拖延整體并朝向阻抗成份較低的方向移動(dòng)，該影響造成圖8(b)的return loss整體惡化3～4dB，電流分炎純鲇氳綺ǚ派涮匭栽蛭廾饗愿謀洹
圖7 改變Monopole天線(xiàn)的pattern寬度
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b)return loss的頻率特性
圖8 Monopole天線(xiàn)的輸入阻抗與return loss頻率特性
圖9 Monopole天線(xiàn)的電流分
圖10 Monopole天線(xiàn)的放射特性
天線(xiàn)未整合的場(chǎng)合
接著(zhù)以圖2(d)的Micro Strip天線(xiàn)為例，利用上述電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)說(shuō)明天線(xiàn)的設計技巧。此處共振頻率為9.75GHz，使用雙層基板的厚度為0.8mm,誘電率無(wú)2.2，基板的背面為ground面。
圖11是本Micro Strip天線(xiàn)的print pattern，圖中央四方形是天線(xiàn)本體。圖12是模擬分析后獲得的天線(xiàn)輸入阻抗與return loss的頻率特性，由圖可知若只是單純將特性阻抗為50Ω的傳輸線(xiàn)路連接，并無(wú)法作matching。由于9.75GHz的return loss大約是1dB，因此輸入至天線(xiàn)的電力幾乎都被反射折返，根據模擬分析結果顯示9.75GHz的放射效率只有20%，這意味著(zhù)本天線(xiàn)幾乎無(wú)法高效率捕捉自由空間內的電波。
圖11 未經(jīng)整合的micro strip天線(xiàn)
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b)return loss的頻率特性
圖12 天線(xiàn)的輸入阻抗與return loss頻率特性
整合調整
如上所述由于本天線(xiàn)無(wú)法有效捕捉電波，因此必需作整合性調整，如圖11所示具體方法是在天線(xiàn)50Ω傳輸線(xiàn)路連接處設置切口進(jìn)行整合性調整。圖13是調整后的print pattern；圖14是調整后的天線(xiàn)輸入阻抗與return loss的頻率特性。
如圖14(a)所示marker 1是9.75GHz的阻抗(impedance)，由圖可知，在9.75GHz附近就會(huì )產(chǎn)生共振，而且阻抗也變成50Ω左右。由圖(b)可知，9.75GHz的return loss大約是27dB，輸入至天線(xiàn)的電力反射則低于0.2%而且未發(fā)生反射，這意味著(zhù)輸入至天線(xiàn)的電力幾乎全部釋放至自由空間。利用模擬分析求得的天線(xiàn)放射效率，9.75GHz時(shí)為99.8%，這與圖11的天線(xiàn)有極大差異，顯然上述的整合調整已經(jīng)獲得預期效果。圖15是頻率為9.75GHz時(shí) print pattern表面的放射特性。雖然上述天線(xiàn)是利用粘貼print pattern方式作整合性調整，不過(guò)在傳輸線(xiàn)路端追加設置元件，進(jìn)行與一般電路同的微調手法并非特殊案例。
圖13 經(jīng)過(guò)matching改善的micro strip天線(xiàn)
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b)return loss的頻率特性
圖14 Monopole天線(xiàn)的輸入阻抗與return loss頻率特性
圖15 天線(xiàn)的放射特性
結語(yǔ)
如上所述天線(xiàn)是通信設備不可或缺的重要元件，隨著(zhù)小型化的時(shí)代潮流需求，基板型天線(xiàn)已經(jīng)成為市場(chǎng)主流，由于模擬分析軟體的進(jìn)步，工程師可透過(guò)模擬分析進(jìn)行各種基板的設計與評估。
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