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蛇形天线分析与设计方案(包含蛇形天线PCB文件)

前言:蛇形天线相信大部分朋友看到的最为广泛一种天线结构,主要用在蓝牙、wifi、zigbee等领域。

一、蛇形天线原理

之前有很多朋友问过我蛇形天线如何设计,比如:蛇形天线的弯折有没有什么讲究,弯折多少次合适等,其实,如果朋友们有这样的疑问,那就说明大家对蛇形天线的认识进入了一个误区,为什么这么说,因为蛇形天线本身并没有所谓“弯折规则”之类的说法,换句话说,蛇形天线的弯折都是随性的,根据每个项目的具体需要来决定,蛇形弯折有一种专业术语叫做“曲流技术”,相信很多朋友都听说过,它的目的就是使天线小型化。

蛇形天线设计和分析
图1 蛇形天线电流方向分析

因此,在实际项目设计中,蛇形天线的弯折是随意的,满足设计要求即可,无须在意弯折多少次,或者怎么弯折。但是需要说明的是,蛇形天线的弯折也是有一定讲究的,尤其对增益有较高要求时,对弯折段的长度就要有所考量,如下图所示:

图中,红色箭头表示天线表面电流的方向,在图中可以看出,蛇形天线相邻的两垂直段的电流方向相反,我们做一个假设,假如天线是理想导体,当垂直段无限靠近时,则垂直段上的电流将被抵消归零,那么整个天线上的电流强度将会严重削弱,而了解电磁场原理的朋友都知道,电磁波是由电流产生的,当电流变弱以后,相应的电磁波也会变弱,而天线的原理则是将功率信号转化为电磁波,因此,可以认为天线的表面电流直接决定了天线增益的大小。从而可以得出结论,蛇形天线的垂直段间距越小,则增益越差。

因此在设计蛇形天线时,需要考虑弯折对天线增益所造成的影响,虽然缩减垂直段间距可以进一步实现天线小型化,但这是以牺牲增益作为代价的,朋友们在设计时需要综合考虑各项指标,做出合理的设计。

二、蛇形天线类别

当前常见的蛇形天线主要有以下几种,我将其命名为A,B,C,D四类,如图:

蛇形天线设计和分析
图2 A类蛇形结构

蛇形天线设计和分析
图3  B类蛇形结构
蛇形天线分析与设计方案(包含蛇形天线PCB文件)
图4  C类蛇形结构

 

蛇形天线设计和分析
图5  D类蛇形结构

四类蛇形结构各有特点,使用环境也会略有差异:

  • A类蛇形线是有传统的倒L天线经过弯折变化而来,主要目的是小型化。A类结构由于自身没有接地支路,因此设计中不容易调整天线的输入阻抗,从而A类结构的回拨损耗S11相对较差。
  • B类,这类天线是A类结构改造而来,通过增加一个短路支路,从而使得天线可以自由调整天线的输入阻抗,只需要调整短路支路的长度即可调节天线的S11指标。
  • C类,其结构与A类类似,只是该类天线适用于射频收发机馈线在电路板居中位置的情况,其缺点和A类相似,不能通过天线自身来调整输入阻抗,因此匹配线较差。但是设计者可以在馈点上方自己增加一路短路枝节即可用以调整天线的输入阻抗,这种调整方法不再单独画出。
  • D类,其结构源自蛇形倒F天线,集成了IFA结构的一切优点,主要区别就是将谐振枝节进行了弯折处理,从而实现天线的小型化,唯一缺点是增益要低于IFA天线。

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,其初始尺寸的设计方法和IFA天线类似,通过频率和光速的关系即可求解,而天线每一段的弯折情况及个段的结构我定义如下:

蛇形天线设计和分析
图6 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,实现辐射,模型如下:

蛇形天线设计和分析
图7 HFSS模型

回波损耗S11仿真:

蛇形天线设计和分析
图8 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,如图6中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:

蛇形天线设计和分析
图9 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,如图6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:

蛇形天线设计和分析
图10 短路枝节L2对S11的影响

从中看出,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。

三、蛇形天线设计

下面设计了一款D类蛇形结构天线,其结构源自蛇形倒F天线,集成了IFA结构的一切优点,主要区别就是将谐振枝节进行了弯折处理,从而实现天线的小型化,唯一缺点是增益要低于IFA天线。

蛇形天线分析与设计方案(包含蛇形天线PCB文件)

设计文件资料下载:D类蛇形结构天线


来源:硬件之家-allchipdata整理

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