?本次推文簡(jiǎn)單介紹下2.4GHz的板載PCB IFA天線(xiàn)的HFSS仿真與設(shè)計(jì)。

PCB板載天線(xiàn)

PCB（Printed Circuit Board）板載天線(xiàn)是現(xiàn)代電子設(shè)備中用于無(wú)線(xiàn)通信的一種關(guān)鍵組件，它直接集成在電路板上，而非獨(dú)立安裝。這種類(lèi)型的天線(xiàn)設(shè)計(jì)主要用于那些對(duì)空間有嚴(yán)格要求的便攜式或小型化設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備、可穿戴技術(shù)、汽車(chē)電子系統(tǒng)和各種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

1. 緊湊性：PCB板載天線(xiàn)因其小巧的體積而聞名，非常適合空間受限的設(shè)備。它們可以設(shè)計(jì)成各種形狀和尺寸，以適應(yīng)不同電路板布局的需要。

2. 成本效益：與外置天線(xiàn)相比，板載天線(xiàn)減少了組裝成本和物料清單（BOM）成本，因?yàn)樗鼈儾恍枰~外的安裝過(guò)程或外部連接器。

3. 性能與可靠性：通過(guò)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，PCB天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)良好的輻射效率和所需的增益，同時(shí)減少信號(hào)干擾和衰減。它們通常具有穩(wěn)定的性能，因?yàn)樗鼈儾灰资艿綑C(jī)械損傷或環(huán)境因素的影響。

4. 定制化：板載天線(xiàn)可以根據(jù)特定的頻率范圍、帶寬要求和輻射模式進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足特定應(yīng)用的需求。

主要類(lèi)型

PCB板載天線(xiàn)的設(shè)計(jì)多種多樣，常見(jiàn)的類(lèi)型包括：

• 單極子天線(xiàn)（Monopole Antenna）：通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)臂的長(zhǎng)度來(lái)控制諧振頻率。

• 倒F天線(xiàn)（Inverted-F Antenna）：通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)臂的長(zhǎng)度、寬度以及短路臂的尺寸來(lái)控制諧振頻率和阻抗匹配，適用于需要緊湊設(shè)計(jì)的場(chǎng)合。

• 環(huán)天線(xiàn)（Loop Antenna）：環(huán)天線(xiàn)的尺寸和形狀會(huì)影響其工作頻率和帶寬，其傾向于在垂直于環(huán)平面的方向上發(fā)送或接收信號(hào)，這在某些通信場(chǎng)景中是很有利的。

• 微帶貼片天線(xiàn)（Patch Antenna）：具有較高的方向性和增益，適合需要定向輻射的應(yīng)用。

倒F天線(xiàn)的演變

1. 單極子天線(xiàn)（Monopole Antenna）

單極子天線(xiàn)是最基本的天線(xiàn)類(lèi)型之一，由一根直立的金屬棒構(gòu)成，下端連接到饋線(xiàn)和接地平面。單極子天線(xiàn)的長(zhǎng)度通常是工作波長(zhǎng)的四分之一，以實(shí)現(xiàn)最佳輻射效率。然而，這種天線(xiàn)的尺寸往往較大，不適合空間受限的現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備。

2. 倒L天線(xiàn)（Inverted-L Antenna）

為了解決單極子天線(xiàn)尺寸過(guò)大的問(wèn)題，倒L天線(xiàn)應(yīng)運(yùn)而生。它形似字母"L"的倒置，能夠在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)與單極子天線(xiàn)相似的性能，同時(shí)保持良好的輻射效率。這種設(shè)計(jì)通過(guò)降低天線(xiàn)的整體高度，使其更適合作為移動(dòng)通信設(shè)備中的內(nèi)置天線(xiàn)。

3. 倒F天線(xiàn)（Inverted-F Antenna，IFA）

倒F天線(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化了倒L天線(xiàn)的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸。IFA天線(xiàn)在倒L天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，增加了一條連接到地的短路臂，形似倒置的字母"F"。在倒F天線(xiàn)中，新增短路臂這一設(shè)計(jì)相當(dāng)于在原有的倒L天線(xiàn)基礎(chǔ)上并聯(lián)了一個(gè)電感。電感的存在改變了天線(xiàn)的阻抗特性，通過(guò)調(diào)整這個(gè)電感的大小（即短路臂的長(zhǎng)度和位置），可以有效地控制天線(xiàn)的諧振頻率，同時(shí)在無(wú)額外電路元件的情況下，也可以進(jìn)一步優(yōu)化天線(xiàn)的阻抗匹配。

4. 蛇形倒F天線(xiàn)（Meander Inverted-F Antenna）

隨著對(duì)更小尺寸和更寬頻帶天線(xiàn)需求的增加，蛇形倒F天線(xiàn)的概念被提出。蛇形天線(xiàn)通過(guò)將天線(xiàn)臂設(shè)計(jì)成曲折的蛇形結(jié)構(gòu)，可以在有限的空間內(nèi)增加天線(xiàn)的有效電長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)與較長(zhǎng)直立天線(xiàn)相當(dāng)?shù)男阅?。?dāng)這種設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于IFA天線(xiàn)時(shí)，蛇形倒F天線(xiàn)就誕生了。它結(jié)合了IFA天線(xiàn)的緊湊性和蛇形天線(xiàn)的尺寸優(yōu)化特性，不僅保持了良好的輻射效率，還在體積上進(jìn)一步縮小，特別適合集成到空間極為受限的現(xiàn)代電子設(shè)備中。

從單極子天線(xiàn)，倒L天線(xiàn)，再到倒F天線(xiàn)，蛇形倒F天線(xiàn)，這一系列演變體現(xiàn)了天線(xiàn)設(shè)計(jì)在應(yīng)對(duì)不斷變化的技術(shù)需求時(shí)的創(chuàng)新與進(jìn)步。這些天線(xiàn)類(lèi)型的發(fā)展，不僅推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的前進(jìn)，也為現(xiàn)代電子設(shè)備的微型化和多功能化做出了重要貢獻(xiàn)。

蛇形倒F天線(xiàn)HFSS仿真

設(shè)計(jì)PCB板載天線(xiàn)時(shí)，工程師通常使用電磁仿真軟件來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)的性能，預(yù)測(cè)其在實(shí)際環(huán)境中的行為。這包括分析天線(xiàn)的增益、效率、輻射方向圖和阻抗帶寬等，確保天線(xiàn)在特定的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。

本次仿真實(shí)例要求：1.6mm的FR4板材，PCB尺寸40mm*65mm，天線(xiàn)布局凈空：40mm*15mm，工作頻段2.4GHz~2.5GHz，S11<-10dB。

建模

在高速射頻線(xiàn)路設(shè)計(jì)中,PCB饋線(xiàn)往往采用CPW（‌Coplanar Waveguide）‌，‌也稱(chēng)為共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，由中央的信號(hào)饋線(xiàn)和兩側(cè)的接地平面構(gòu)成。‌這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于射頻電路、‌射頻信號(hào)線(xiàn)和微波信號(hào)線(xiàn)。‌如下圖所示是一個(gè)CPWG（‌Coplanar Waveguide with Ground Plane）‌結(jié)構(gòu)示意圖。

因此我們首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算50歐姆對(duì)應(yīng)的CPWG饋線(xiàn)寬度（選取GSG之間的間隙為0.2mm）：1.1mm

首先我們畫(huà)取一小段饋線(xiàn)，以及一個(gè)集總端口面，并在周?chē)蛏弦蝗拥乜?。為了減少網(wǎng)格剖分，提升仿真速度，圓柱體的Number of segments設(shè)置為4。

然后用line繪制輻射臂和短路臂的1D路徑，最后可以在CreatePolyline里將line變成實(shí)體box。饋線(xiàn)、輻射臂、短路臂都設(shè)置為copper或者pec材料。

邊界條件

點(diǎn)擊Draw Region，選擇Absolute Offset，填入2GHz的1/4波長(zhǎng)，并將Region設(shè)置為Radiation邊界條件。

激勵(lì)設(shè)置

Pick端口面，設(shè)定為50Ω集總端口激勵(lì)。

仿真結(jié)果

設(shè)置求解頻率為2.4GHz，fast掃頻范圍為2~3GHz。因?yàn)樵O(shè)置的參量并不能保證諧振頻率正好落在帶內(nèi)。因此，我們可以將求解頻率范圍擴(kuò)大一些。根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)決定是否加長(zhǎng)/減少?gòu)澱壑?jié)及其彎折長(zhǎng)度、間隙。

當(dāng)我們拓寬求解頻段為1~4GHz時(shí)，發(fā)現(xiàn)天線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，諧振頻率低到了1.3GHz。因此，我們可以縮短彎折間隙或者降低天線(xiàn)離地面的高度等操作來(lái)修正諧振頻率。

性能優(yōu)化

手動(dòng)修正頻偏有時(shí)候太費(fèi)時(shí)間了，我們可以在hfss中設(shè)置optimization，晚上開(kāi)啟HPC多線(xiàn)程跑起來(lái)，早上看結(jié)果！在設(shè)置optimization前需要先勾選將待優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，并確定每個(gè)變量的優(yōu)化范圍。

這里將2.45GHz的S11(dB)設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)。因?yàn)榉抡婺Ｐ捅容^簡(jiǎn)單，因此HFSS優(yōu)化器的迭代優(yōu)化過(guò)程比較快，優(yōu)化的結(jié)果如下所示：

工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，實(shí)物測(cè)試和仿真往往由一定頻偏。這時(shí)候，可以考慮在天線(xiàn)饋線(xiàn)處放置一個(gè)π型匹配網(wǎng)絡(luò)便于后期的阻抗匹配。不需要的并聯(lián)位和串聯(lián)位可分別NC或者串聯(lián)一個(gè)0R電阻。

思考(ˇ?ˇ)

用于無(wú)線(xiàn)通信中的板載天線(xiàn)，其正向傳輸方向的增益對(duì)系統(tǒng)的最大通信距離影響比較大。因此，只是簡(jiǎn)單地調(diào)試S11并不能有效地增大其通信裕量。因此，針對(duì)不同板型和電磁環(huán)境的PCB板載天線(xiàn)，需要結(jié)合實(shí)際通信指標(biāo)進(jìn)行電磁仿真，從而綜合出較優(yōu)的天線(xiàn)形狀。

可以嘗試定性分析不同尺寸的地板、不同類(lèi)型的天線(xiàn)可能對(duì)最大通信距離產(chǎn)生的影響。

作者：微波天線(xiàn)工程師