通讯模块板载天线设计的原理以及方法

成都亿佰特

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、WiFi、ZigBee等对性能要求不高、但对空间要求比较高的领域。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？为什么要选择性的layout在PCB板的某些区域？
+ m3 X: L% c7 O: v1 O
: t, L+ }: z$ R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：

0 U2 w3 `7 S7 y* w' G$ x9 f通讯模块板载天线设计的原理以及方法

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：

通讯模块板载天线设计的原理以及方法
& r3 b) e( s# ?* I1 r, }) [' J
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
5 `% T7 M- ?1 y4 N- I
二、实例设计演示

+ r8 Q, V4 s: F- Q1 L; j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：

3 K* G- A# Z2 k9 Z% g! E) w( y" Q通讯模块板载天线设计的原理以及方法
$ W/ ~  S4 m) j7 F* Z4 F
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：
9 f: K( S( C' n  G/ H; r
通讯模块板载天线设计的原理以及方法
' a2 Z; y+ i# w9 Q  o, t
图4 HFSS模型

! v* D0 k4 m+ J; m回波损耗S11仿真：

! b" W& ~7 B" x9 E6 v6 D通讯模块板载天线设计的原理以及方法
$ G8 g3 ~6 s) m! d2 |8 w
) e- t8 F& J* H2 U; E4 |- V+ _# |图5 S11仿真结果
+ j: N9 K% O, `2 W1 \0 q+ r$ i
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：

. k0 B0 P" C% c2 W$ `1、工作频点调整
3 g( |' b/ |& R
3 e" r% ^+ C3 w. v/ M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。
/ }7 [/ R" I: Y4 _9 X6 a+ B' d/ c; o
8 A; Q1 Z: |$ ?! Z0 K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：

通讯模块板载天线设计的原理以及方法

图6 L的长度对谐振频点的影响
1 C# J0 P! L( i! ~9 q. R
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。

% |, x0 o( P! l7 v9 Z/ M2、 S11改善
6 w% `# o2 V' V8 L4 A' @
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：
( R' W4 g5 e6 x1 z, b  f& z# _
通讯模块板载天线设计的原理以及方法

7 S% r; j+ L9 f9 q5 K图7 短路枝节L2对S11的影响
$ p( b) c( g8 G" |+ {! N
4 Q- L& ?1 }3 D9 ^7 |/ y5 u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。