學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門(mén)知識(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問(wèn)題，可以在文尾寫(xiě)下留言。

摘要：

隨著智能手機(jī)性能的日臻完善，多攝、快充大電池、高性能散熱要求等，不斷擠壓著預(yù)留給天線設(shè)計(jì)的凈空區(qū)域。這也使得本就屬電小尺寸的手機(jī)天線具有更高的Q值，更窄的帶寬。因此提高天線輸入端口的匹配性能，使得天線總效率接近理論輻射效率，顯得尤為重要。

本文先引入一款理解和學(xué)習(xí)阻抗匹配的“神器”，然后以微帶貼片天線為例，用簡(jiǎn)單的LC匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行寬帶匹配。

本文使用的軟件為CST 2018版本

一款理解和學(xué)習(xí)阻抗匹配的“神器”

來(lái)自Bern University of Applied Sciences的博士生Fritz Dellsperger原創(chuàng)的一款Smith圓圖軟件 。簡(jiǎn)單易用，在阻抗匹配的學(xué)習(xí)和驗(yàn)證中還是比較有用的！

https://www.advanceduninstaller.com/Smith-V4_1-a64019eca825004160867e4fe3f030ed-application.htm

1. 集總LC匹配：

5.8GHz阻抗(ohm)為100-j100，并電容串電感方式實(shí)現(xiàn)匹配

2. 微帶線匹配：      

示例1中，5.8GHz阻抗(ohm)為100-j100，僅用2節(jié)微帶線也可以實(shí)現(xiàn)匹配

• 先串聯(lián)50ohm微帶線，使其與匹配圓相交，然后再串聯(lián)高阻抗微帶線即可實(shí)現(xiàn)匹配。這里高阻抗微帶線其實(shí)和電感的特性差不多，原理如下：
• 由微波工程的微波網(wǎng)絡(luò)分析一節(jié)易得長(zhǎng)度為L(zhǎng)無(wú)耗傳輸線，其A矩陣為：
• 當(dāng)特性阻抗變?yōu)楦咦杩箷r(shí)，，該矩陣退化為上三角矩陣: ???????
• 這與串聯(lián)電感的A矩陣類似：

在上述示例中，5.8GHz阻抗(ohm)為100-j100，除了用2節(jié)微帶線，一節(jié)能不能實(shí)現(xiàn)呢？答案是肯定的！

在上面視頻中，用了一節(jié)125ohm左右的微帶線即實(shí)現(xiàn)了匹配，從匹配軌跡上來(lái)看，其實(shí)就是DP1以125ohm在smith圓圖上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為圓心，繞著其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。理論上只要在實(shí)軸上找到一個(gè)阻抗點(diǎn)，使得其到待匹配點(diǎn)和匹配點(diǎn)距離一致，就可以實(shí)現(xiàn)單微帶線匹配。

窄帶貼片天線仿真

下圖邊饋式貼片天線（采用1mm厚度的FR-4基板），其理論的帶寬比較窄。

窄帶貼片天線-CST仿真結(jié)果(點(diǎn)擊小圖可看清晰大圖）

• 從左到右依次為CST仿真的S11，Smith圓圖，天線的輻射效率和總效率。???????
• 可以看出該天線的10dB帶寬大致為200MHz（3.44%左右的相對(duì)帶寬）。???????
• 從最右邊的效率圖可知，除諧振頻率附近外，遠(yuǎn)離中心頻率的頻段由于沒(méi)有得到良好匹配，天線的總效率（綠色曲線）迅速下降

寬帶匹配方式1

在之前的推文中，我們?cè)谖哪┩扑]了清華大學(xué)-張志軍撰寫(xiě)的Antenna Design for Mobile Devices。其中第二章節(jié)就是Antenna Matching，2.2.4的Bandwidth Consideration舉了3個(gè)拓展頻帶的集總LC元件匹配方法。

這里將應(yīng)用Example 2.1的匹配思路（如下圖所示）進(jìn)行帶寬的拓展。

如上圖所示，諧振中心附近其S11迅速惡化。從圖b也可看出，Smith圈比較發(fā)散，除諧振頻率點(diǎn)在純電阻線上，其他頻點(diǎn)在Smith圓圖上則逐漸遠(yuǎn)離匹配中心，因此S11看起來(lái)在1.35GHz左右取到極小值。良好的匹配應(yīng)該是盡可能將阻抗線（圖b黑色曲線）在寬頻帶內(nèi)向匹配點(diǎn)處收斂。

如圖b所示，High band處于感性區(qū)，Low band處于容性區(qū)。High band通過(guò)并聯(lián)電容可以向下搬移，Low band通過(guò)并聯(lián)電感可以向上搬移。假設(shè)低頻需要電感值為，高頻需要電容值為，選擇合適的，同時(shí)滿足高頻和低頻的匹配，以及并聯(lián)LC電路的諧振頻率在待匹配的諧振頻率附近，，就能實(shí)現(xiàn)下圖所示寬帶匹配效果。

并聯(lián)LC電路的輸入阻抗如下圖所示，可以看出低頻呈現(xiàn)感性，高頻呈現(xiàn)容性，理論上同時(shí)實(shí)現(xiàn)低、高頻的匹配。

在利用并聯(lián)LC元件拓展帶寬前，先增加貼片天線饋線寬度，使Smith圈靠低阻區(qū)挪動(dòng)，便于后續(xù)的匹配設(shè)計(jì)。

下面按上述方法，增加并聯(lián)LC匹配電路，可以看出10dB帶寬拓展到了400MHz。

寬帶匹配方式1：并聯(lián)LC電路(點(diǎn)擊小圖可看清晰大圖）

優(yōu)化匹配前后對(duì)比：(點(diǎn)擊小圖可看清晰大圖）

從上圖可以看出，諧振中心頻帶得到拓展，而邊帶的天線總效率則會(huì)隨著偏離諧振中心進(jìn)一步急劇下降。

下期預(yù)告：復(fù)雜匹配網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)天線的應(yīng)用實(shí)例。

*本文的圖片部分來(lái)自微波工程教材，致謝Markdown Nice提供的公式排版服務(wù)

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本期原創(chuàng)工程師：94巨蟹座少年

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