通讯模块板载天线设计的原理以及方法

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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？

; c7 U& n0 Z$ U) P: B& u; U6 ~5 ]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。

* M- r0 D5 z7 S: ~( y一、原理
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  M: y5 K9 D: V6 y1、蛇形天线的电流分布如下图所示：
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) c% O. a" X! |. Z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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- |+ E- l4 T4 l- p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

" Y' X; t- _- K$ S7 j( X3 l; J, a二、实例设计演示
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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

$ }/ V" w0 P: P" e  t! _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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; |+ v1 F& E, r6 F5 _/ s) Z图5 S11仿真结果

% }) N" R7 \. q/ f1 A( m" T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：
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1、工作频点调整
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2 L. L! S. w' r) M3 k  Z/ 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。
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; C8 f1 D: |' e% j% L% h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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' t6 v6 J# t; l图6 L的长度对谐振频点的影响
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. a- h# u4 y* }6 z) E% 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。
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3 a* m6 h8 [' c% ~' i% s2、 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

, @; R" V# R' p, v' z' K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。