標(biāo)題: 蛇形PCB天線設(shè)計(jì)分享 [打印本頁]
作者: IT2020w    時(shí)間: 2018-11-11 12:32
標(biāo)題: 蛇形PCB天線設(shè)計(jì)分享
蛇形天線相信大部分朋友看到的最為廣泛一種天線結(jié)構(gòu)，主要贏用在藍(lán)牙、wifi、zigbee等領(lǐng)域。
之前有很多朋友問過我蛇形天線如何設(shè)計(jì)，比如：蛇形天線的彎折有沒有什么講究，彎折多少次合適等，其實(shí)，如果朋友們有這樣的疑問，那就說明大家對蛇形天線的認(rèn)識進(jìn)入了一個(gè)誤區(qū)，為什么這么說，因?yàn)樯咝翁炀�本身并沒有所謂“彎折規(guī)則”之類的說法，換句話說，蛇形天線的彎折都是隨性的，根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的具體需要來決定，蛇形彎折有一種專業(yè)術(shù)語叫做“曲流技術(shù)”，相信很多朋友都聽說過，它的目的就是使天線小型化。
因此，在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，蛇形天線的彎折是隨意的，滿足設(shè)計(jì)要求即可，無須在意彎折多少次，或者怎么彎折。但是需要說明的是，蛇形天線的彎折也是有一定講究的，尤其對增益有較高要求時(shí)，對彎折段的長度就要有所考量，如下圖所示：

圖1 蛇形天線電流方向分析
圖中，紅色箭頭表示天線表面電流的方向，在圖中可以看出，蛇形天線相鄰的兩垂直段的電流方向相反，我們做一個(gè)假設(shè)，假如天線是理想導(dǎo)體，當(dāng)垂直段無限靠近時(shí)，則垂直段上的電流將被抵消歸零，那么整個(gè)天線上的電流強(qiáng)度將會(huì)嚴(yán)重削弱，而了解電磁場原理的朋友都知道，電磁波是由電流產(chǎn)生的，當(dāng)電流變?nèi)跻院�，相�?yīng)的電磁波也會(huì)變?nèi)�，而天線的原理則是將功率信號轉(zhuǎn)化為電磁波，因此，可以認(rèn)為天線的表面電流直接決定了天線增益的大小。從而可以得出結(jié)論，蛇形天線的垂直段間距越小，則增益越差。
因此在設(shè)計(jì)蛇形天線時(shí)，需要考慮彎折對天線增益所造成的影響，雖然縮減垂直段間距可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線小型化，但這是以犧牲增益作為代價(jià)的，朋友們在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，做出合理的設(shè)計(jì)。
當(dāng)前常見的蛇形天線主要有以下幾種，我將其命名為A,B,C,D四類，如圖：
圖2 A類蛇形結(jié)構(gòu)

圖3  B類蛇形結(jié)構(gòu)

圖4  C類蛇形結(jié)構(gòu)

圖5  D類蛇形結(jié)構(gòu)
四類蛇形結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，使用環(huán)境也會(huì)略有差異，A類蛇形線是有傳統(tǒng)的倒L天線經(jīng)過彎折變化而來，主要目的是小型化，但是A類結(jié)構(gòu)由于自身沒有接地支路，因此設(shè)計(jì)中不容易調(diào)整天線的輸入阻抗，從而A類結(jié)構(gòu)的回?fù)軗p耗S11相對較差。
對B類，這類天線是A類結(jié)構(gòu)改造而來，通過增加一個(gè)短路支路，從而使得天線可以自由調(diào)整天線的輸入阻抗，只需要調(diào)整短路支路的長度即可調(diào)節(jié)天線的S11指標(biāo)。
對C類，其結(jié)構(gòu)與A類類似，只是該類天線適用于射頻收發(fā)機(jī)饋線在電路板居中位置的情況，其缺點(diǎn)和A類相似，不能通過天線自身來調(diào)整輸入阻抗，因此匹配線較差。但是設(shè)計(jì)者可以在饋點(diǎn)上方自己增加一路短路枝節(jié)即可用以調(diào)整天線的輸入阻抗，這種調(diào)整方法不再單獨(dú)畫出。
對D類，其結(jié)構(gòu)源自蛇形倒F天線，集成了IFA結(jié)構(gòu)的一切優(yōu)點(diǎn)，主要區(qū)別就是將諧振枝節(jié)進(jìn)行了彎折處理，從而實(shí)現(xiàn)天線的小型化，唯一缺點(diǎn)是增益要低于IFA天線。
現(xiàn)在我們以B類結(jié)構(gòu)為例，來簡單的設(shè)計(jì)一個(gè)2.45GHz的B類天線結(jié)構(gòu)模型，其初始尺寸的設(shè)計(jì)方法和上一遍IFA天線博客類似，通過頻率和光速的關(guān)系即可求解（不懂的朋友看上一篇IFA天線的博客，這里不再重復(fù)），而天線每一段的彎折情況及個(gè)段的結(jié)構(gòu)我定義如下：

圖6 天線初始尺寸設(shè)置
HFSS模型建立要注意，由于本文所設(shè)計(jì)的為單極子天線，因此設(shè)計(jì)中要充分考慮地平面對天線的影響，地平面需要有足夠大的面積，以使得天線能夠獲得較好鏡像，實(shí)現(xiàn)輻射，模型如下：

圖7 HFSS模型
回波損耗S11仿真：

圖8 S11仿真結(jié)果
從仿真圖中可以看出，S11的仿真結(jié)構(gòu)是比較好的，完全可以達(dá)到2.45GHz的工作頻段和帶寬要求。
可能有的朋友會(huì)有疑問，因?yàn)橛行┡笥咽翘炀�的初學(xué)者或者經(jīng)驗(yàn)不足，可能設(shè)置初始尺寸時(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，從而導(dǎo)致初始尺寸的仿真結(jié)構(gòu)較差，比如工作頻點(diǎn)與預(yù)期的偏差較大，S11太大等等，這些情況都是存在的。現(xiàn)在我們就來分析下出現(xiàn)這類情況的時(shí)候我們應(yīng)該怎么來解決。
(1) 工作頻點(diǎn)調(diào)整
在上一篇博客中我已經(jīng)提過，天線的諧振頻段是由天線的有效電流路徑長度決定的，因此要調(diào)整工作頻段，就要考慮從天線的物理長度入手。
通常，我們設(shè)計(jì)中需要在蛇形天線的末端預(yù)留一段用變量表示的枝節(jié)，如圖6中最右端所標(biāo)示長度為L的枝節(jié)，做優(yōu)化時(shí)，只需要簡單的改變此段長度即可，例如，我現(xiàn)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)，來求解其對應(yīng)的工作頻段，求解結(jié)果如下：

圖9 L的長度對諧振頻點(diǎn)的影響
從圖中看到，L變化時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生非常明顯的變化，隨著L減小，天線的諧振頻率隨之下降。
(2) S11改善
S11的決定因素是天線的輸入阻抗，通常，單極子天線默認(rèn)的輸入阻抗為50歐姆，當(dāng)所設(shè)計(jì)的天線輸入阻抗無限接近50歐姆時(shí)，則S11將逼近無限小，反之，當(dāng)輸入阻抗偏離50歐姆時(shí)，則S11將變差，換句話說，輸入阻抗偏離50歐姆越大，則S11越差。對于本文中所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)，如圖6所示的L2短路枝節(jié)，可以通過調(diào)整L2的長度來改變天線在2.45GHz頻段上的輸入阻抗大小，進(jìn)而調(diào)整S11參數(shù)。我現(xiàn)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，來看其對應(yīng)的S11的值，仿真結(jié)果如下：

圖10 短路枝節(jié)L2對S11的影響
從中看出，L2長度發(fā)生變化時(shí)，天線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L2長度增加，S11逐漸變好。
因此實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)整短路枝節(jié)來改善S11參數(shù)。
蛇形天線的結(jié)構(gòu)多種多樣，各位朋友一定要打開思路，嘗試不同的彎折方式，將會(huì)收獲意想不到的結(jié)果。
本次蛇形天線的講解暫時(shí)到這里，作者同時(shí)在新浪博客和CSDN博客更新，如有需要咨詢的朋友可加作者QQ: 318056416咨詢。作者博客將持續(xù)更新新的結(jié)構(gòu)和方案，歡迎關(guān)注。

作者: dtdzlujian    時(shí)間: 2019-1-30 21:28
謝謝分享!
作者: 2993892594    時(shí)間: 2019-3-7 09:02
講的挺不錯(cuò)的
作者: jach09    時(shí)間: 2022-10-16 17:08
這個(gè)講的明白，以前畫板載天線就依葫蘆畫瓢，不知道原理。
作者: pdwdzz    時(shí)間: 2022-10-18 13:58
最近剛接觸無線項(xiàng)目，也剛接觸天線設(shè)計(jì)。有幾點(diǎn)疑問。
測試用的網(wǎng)絡(luò)分析儀，因?yàn)槭莗cb天線，只能用細(xì)同軸電纜末端剝出芯線接到PCB上的饋點(diǎn)測。
      1.網(wǎng)分校準(zhǔn)是要帶同軸電纜校準(zhǔn)嗎？因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)按說明書校準(zhǔn)網(wǎng)分后，再接上那個(gè)末端剝出的同軸線時(shí)，開路時(shí)圓圖就不是在開路點(diǎn)了。也就是說同軸線被當(dāng)作了一部分天線。然后就是如果要帶同軸線校準(zhǔn)，短路就是把芯線和屏蔽層短接嗎？50歐負(fù)載呢，能在芯線和屏蔽層串50R電阻嗎？
      2.同軸線末端是接到pcb發(fā)射機(jī)輸出點(diǎn)(無線芯片的天線引腳)嗎?同軸線屏蔽層接到pcb鋪銅層嗎？
作者: goodmasher    時(shí)間: 2022-12-17 11:08
pdwdzz 發(fā)表于 2022-10-18 13:58
最近剛接觸無線項(xiàng)目，也剛接觸天線設(shè)計(jì)。有幾點(diǎn)疑問。
測試用的網(wǎng)絡(luò)分析儀，因?yàn)槭莗cb天線，只能用細(xì)同軸 ...

本人做PCB小天線設(shè)計(jì)很多了，在用網(wǎng)分測量時(shí)任何測量電纜都需要進(jìn)行校正，這樣才能測準(zhǔn)，設(shè)計(jì)PCB天線不但要阻抗達(dá)到要求(一般是50歐），而且還要看增益這項(xiàng)指標(biāo)。對于PCB天線，阻抗做到匹配比較容易做到，但并不意味著增益也達(dá)到要求。設(shè)計(jì)PCB天線，最好使用 ADS進(jìn)行仿真，使天線達(dá)到最大效率。
作者: cnfloatleaf    時(shí)間: 2023-7-26 22:10
壇友中高手很多，學(xué)習(xí)了。感謝分享。
作者: 大蘇打大撒    時(shí)間: 2023-9-2 23:11

壇友中高手很多
作者: 西門吹雪991    時(shí)間: 2025-5-5 23:56
666 ,受教了！



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