通讯模块板载天线设计方法

  蛇形板载天线是无线通讯模块应用最广泛的一种天线类型,应用在蓝牙WiFiZigBee等对性能要求不高、但对空间要求比较高的领域。今天就让小哲给大家普及一下蛇形板载天线的相关知识吧~

  作为天线工程师,每次给前端电路工程师调试设计天线的时候都会好奇的问到:

  ●  为啥这个天线要搞成这个形状?

  ●  这些折弯间有什么讲究,比如折弯次数、折弯的间距。。。

  ●  为什么要选择性的layout在PCB板的某些区域?

  其实我们在做板载蛇形天线设计并没有这些说法,抓住其基本原理,然后可以根据板载所给净空区、结合天线周围环境如金属、大电容、电感、屏蔽罩等实际情况,天马行空的“作画”满足设计要求即可。

  一、原理

  1、蛇形天线的电流分布如下图所示:

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  图1 蛇形天线电流方向分析

  从图中可以看出、蛇形走线的相邻两个折弯上电流大小相等、方向相反;从电磁场产生的原理,如果蛇形走线相邻两个折弯无限靠近时,电磁辐射完全抵消,不对外辐射能量,增益很差。故在设计走线的时候一定要结合给定的天线“净空区”平衡天线面积与小型化要求,不能没有原则的退让,以牺牲天线的增益来换取产品的美观。

  2、当前常见的蛇形天线主要有以下几种,如图:

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  图①、②为普通的单极蛇形天线。图③为带寄生的蛇形走线,寄生单元可以增加带宽。图④为单极蛇形的变形-倒F天

  二、实例设计演示

  现在我们以B类结构为例,来简单的设计一个2.45GHz的B类天线结构模型,天线每一段的弯折情况及个段的结构如下:

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  图3 天线初始尺寸设置

  HFSS模型建立要注意,由于本文所设计的为单极子天线,因此设计中要充分考虑地平面对天线的影响,地平面需要有足够大的面积,以使得天线能够获得较好镜像,实现f射,模型如下:

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  图4 HFSS模型

  回波损耗S11仿真:

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  图5 S11仿真结果

  从仿真图中可以看出,S11的仿真结构是比较好的,完全可以达到2.45GHz的工作频段和带宽要求。

  可能有的朋友会有疑问,因为有些朋友是天线的初学者或者经验不足,可能设置初始尺寸时经验不足,从而导致初始尺寸的仿真结构较差,比如工作频点与预期的偏差较大,S11太大等等,这些情况都是存在的。现在我们就来分析下出现这类情况的时候我们应该怎么来解决:

  1、工作频点调整

  天线的谐振频段是由天线的有效电流路径长度决定的,因此要调整工作频段,就要考虑从天线的物理长度入手。

  通常,我们设计中需要在蛇形天线的末端预留一段用变量表示的枝节,如下图所示最右端所标示长度为L的枝节,做优化时,只需要简单的改变此段长度即可,例如,我现在在刚刚建立的模型上做一个示例,令L分别等于1.5mm,2mm,2.5mm和3mm时,来求解其对应的工作频段,求解结果如下:

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  图6 L的长度对谐振频点的影响

  从图中看到,L变化时,天线的谐振频点也会产生非常明显的变化,随着L减小,天线的谐振频率随之下降。

  2、 S11改善

  S11的决定因素是天线的输入阻抗,通常,单极子天线默认的输入阻抗为50欧姆,当所设计的天线输入阻抗无限接近50欧姆时,则S11将逼近无限小,反之,当输入阻抗偏离50欧姆时,则S11将变差,换句话说,输入阻抗偏离50欧姆越大,则S11越差。对于本文中所设计的天线结构,如下图所示的L2短路枝节,可以通过调整L2的长度来改变天线在2.45GHz频段上的输入阻抗大小,进而调整S11参数。我现在在模型上做一个示例,令L2分别等于4mm,4.5mm,5mm,5.5mm和6mm,来看其对应的S11的值,仿真结果如下:

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  图7 短路枝节L2对S11的影响

  从图中看出,L2长度发生变化时,天线的谐振频率几乎保持不变,但是S11却有非常明显的变化,随着L2长度增加,S11逐渐变好。

  因此实际设计中,可以通过调整短路枝节来改善S11参数。

  蛇形天线的结构多种多样,各位朋友一定要打开思路,尝试不同的弯折方式,将会收获意想不到的结果。