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印刷天线设计方法:2.4G印刷倒F天线

前言:天线属于一个专业性比较强的学科,需要一些实践性的设计方法。

一、天线设计简介

天线的具体设计过程和原理,天线多频的实现方法,如何使用电容、电感等集总原件来匹配和改善天线的性能,将自己的天线经验无保留的分享给大家,包括常见的如:蛇形天线、倒F天线、PIFA天线、LOOP天线、缝隙天线和边框天线等结构的原理和设计方法。

学天线的初期需要掌握至少一款电磁仿真软件,比如HFSS,CST,ADS等,个人建议学习HFSS,因为网络容易找到一些教程,有利于自己的学习和提升。废话不多说,先来讲一讲倒F天线的原理,设计一款天线,首先要明确基本的设计指标,也就是期望的工作频段,因为工作频段直接决定了天线的尺寸。如果是印刷天线,还要考虑介质板的介电常数和损耗角正切值,这里我只讲介电常数的影响,损耗角正切值会在后面将会讲解。
例如,现在要求设计一款工作在2.412GHz–2.472GHz(wifi 11n协议)的板载行wifi印刷天线,采用FR4介质,要求增益大于1.5dBi,电压驻波比VSWR<2。先来看一看印刷倒F天线的基本结构,如下图:印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例

印刷倒F天线主要有三个主要的结构参数,即天线的谐振长度L,天线高度H和馈点到接地点间距S(如图中),其中,谐振长度L用于调整天线的工作频率,越短则频率越高;天线高度H可用于调整天线的带宽,H越大,带宽则越大;S则用于调整天线的输入阻抗,S越小,阻抗越大,换句话说,S可以直接用于调整天线的VSWR性能。

二、设计过程

下面看具体的设计过程:
  •  第一步,先计算天线的基本尺寸,以2.45GHz作为中心频点,则对应的自由空间波长:

lambda0 =v/f=122mm,其中v为光速,f为需要的频率;

  •  第二步,计算单极子天线的长度,这里要注意,通常板载天线使用的都是单极子天子,单极子天线通常采用四分之一个波长,而偶极子天线采用半个波长或一个波长(相关知识可以在百度上搜索,这里不做过多的重复),因此,对应的单极子天线长度为 :

 1/4*Lambda0=30mm;

  •  第三步,需要考虑FR4介质板对天线的影响,作为印刷天线来讲,天线一面蚀刻在介质板上,另一面裸露在自由空间中,因此,天线的实际长度还会收到介质板介电常数的影响,当天线完全处于介质中时,其波长:

Lambdae = Lambda0/(e^0.5)(e表示介电常数)

对于印刷天线来讲,由于其一半在空气中,一半在介质板上,因此它的长度介于 四分之一个介质波长和四分之一个自由空间波长之间,设计中暂时取中间值,根据上面的计算,四分之一个介质波长为1/4*122/(4.4^0.5)=15mm,因此,可取天线的初始长度为22mm。根据上图来看,初始长度即为 天线高度H和谐振长度L的和,我们可以自己定义 H=5mm,L=17mm,S=5mm,天线宽度W=1mm,采用HFSS建立三维仿真模型(具体的建模过程可向作者咨询),建立的模型如下:

印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例
根据初始尺寸进行仿真,得到如下结果:
 印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例
从S11参数来看,天线的工作频率覆盖了2.3G–2.6G(S11<-10),达到了我们预期的设计要求,下面我们来看一看L,H和S对天线性能的影响,如下图:
印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例取L1=17mm,L2=16mm,L3=15mm;H1=5mm,H2=5mm,H3=3mm;S1=4mm,S2=5mm,S3=6mm,从以上的仿真结果,可以非常清晰的看到三个主要常数对天线性能的影响:即谐振长度L用于调整天线的工作频率,越短则频率越高;天线高度H可用于调整天线的带宽,H越大,带宽则越大;S则用于调整天线的回波损耗S11性能。具体的影响效果总结如下:

结构参数

变化趋势

谐振频率

输入阻抗

L

增大

减小

减小

减小

增大

增大

H

增大

减小

增大

减小

增大

减小

S

增大

增大

减小

减小

减小

增大

   
需要特别注意的是:单极子天线是依赖于地平面而存在的,通过镜像产生的天线效应,受地平面面积的影响较大,所以一旦确定了天线,尽量不要不要改变地平面的面积,否则天线需要重新仿真设计。具体的大家可以自己仿真尝试分析。

来源:硬件之家-allchidata整理

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