通訊模塊板載天線(xiàn)設計方法

作為電子工程師，遲早一天會(huì )接觸到天線(xiàn)的。每次給前端電路工程師調試設計天線(xiàn)的時(shí)候都會(huì )好奇的問(wèn)到：

l 為啥這個(gè)天線(xiàn)要搞成這個(gè)形狀？

l 這些折彎間有什么講究，比如折彎次數、折彎的間距。。。

l 為什么要選擇性的layout在PCB板的某些區域？

其實(shí)我們在做板載蛇形天線(xiàn)設計并沒(méi)有這些說(shuō)法，抓住其基本原理，然后可以根據板載所給凈空區、結合天線(xiàn)周?chē)h(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(huà)”滿(mǎn)足設計要求即可

一、原理

1、蛇形天線(xiàn)的電流分布

如下圖所示：

圖1 蛇形天線(xiàn)電流方向分析

從圖中可以看出、蛇形走線(xiàn)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(xiàn)相鄰兩個(gè)折彎無(wú)限靠近時(shí)，電磁輻射完全抵消，不對外輻射能量，增益很差。故在設計走線(xiàn)的時(shí)候一定要結合給定的天線(xiàn)“凈空區”平衡天線(xiàn)面積與小型化要求，不能沒(méi)有原則的退讓?zhuān)誀奚炀€(xiàn)的增益來(lái)?yè)Q取產(chǎn)品的美觀(guān)。

2、當前常見(jiàn)的蛇形天線(xiàn)主要有以下幾種，如圖：

圖①、②為普通的單極蛇形天線(xiàn)。

圖③為帶寄生的蛇形走線(xiàn)，寄生單元可以增加帶寬。

圖④為單極蛇形的變形-倒F天線(xiàn)

二、實(shí)例設計演示：

現在我們以B類(lèi)結構為例，來(lái)簡(jiǎn)單的設計一個(gè)2.45GHz的B類(lèi)天線(xiàn)結構模型，天線(xiàn)每一段的彎折情況及個(gè)段的結構如下：

圖3 天線(xiàn)初始尺寸設置

HFSS模型建立要注意，由于本文所設計的為單極子天線(xiàn)，因此設計中要充分考慮地平面對天線(xiàn)的影響，地平面需要有足夠大的面積，以使得天線(xiàn)能夠獲得較好鏡像，實(shí)現輻射，模型如下：

圖4 HFSS模型

回波損耗S11仿真：

圖5 S11仿真結果

從仿真圖中可以看出，S11的仿真結構是比較好的，完全可以達到2.45GHz的工作頻段和帶寬要求。

可能有的朋友會(huì )有疑問(wèn)，因為有些朋友是天線(xiàn)的初學(xué)者或者經(jīng)驗不足，可能設置初始尺寸時(shí)經(jīng)驗不足，從而導致初始尺寸的仿真結構較差，比如工作頻點(diǎn)與預期的偏差較大，S11太大等等，這些情況都是存在的?，F在我們就來(lái)分析下出現這類(lèi)情況的時(shí)候我們應該怎么來(lái)解決：

1、工作頻點(diǎn)調整

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

通常，我們設計中需要在蛇形天線(xiàn)的末端預留一段用變量表示的枝節，如下圖所示最右端所標示長(cháng)度為L(cháng)的枝節，做優(yōu)化時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的改變此段長(cháng)度即可，例如，我現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)求解其對應的工作頻段，求解結果如下：

圖6 L的長(cháng)度對諧振頻點(diǎn)的影響

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

2、 S11改善

S11的決定因素是天線(xiàn)的輸入阻抗，通常，單極子天線(xiàn)默認的輸入阻抗為50歐姆，當所設計的天線(xiàn)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，當輸入阻抗偏離50歐姆時(shí)，則S11將變差，換句話(huà)說(shuō)，輸入阻抗偏離50歐姆越大，則S11越差。對于本文中所設計的天線(xiàn)結構，如下圖所示的L2短路枝節，可以通過(guò)調整L2的長(cháng)度來(lái)改變天線(xiàn)在2.45GHz頻段上的輸入阻抗大小，進(jìn)而調整S11參數。我現在在模型上做一個(gè)示例，令L2分別等于4mm，4.5mm，5mm，5.5mm和6mm，來(lái)看其對應的S11的值，仿真結果如下：

圖7 短路枝節L2對S11的影響

從圖中看出，L2長(cháng)度發(fā)生變化時(shí)，天線(xiàn)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(zhù)L2長(cháng)度增加，S11逐漸變好。

因此實(shí)際設計中，可以通過(guò)調整短路枝節來(lái)改善S11參數。

蛇形天線(xiàn)的結構多種多樣，各位朋友一定要打開(kāi)思路，嘗試不同的彎折方式，將會(huì )收獲意想不到的結果。