倒F印刷天线设计与实战

2019-07-14 09:21发布

 学天线的初期需要掌握至少一款电磁仿真软件,比如HFSS,CST,ADS等,个人建议学习HFSS,因为网络容易找到一些教程,有利于自己的学习和提升。     废话不多说,先来讲一讲倒F天线的原理,设计一款天线,首先要明确基本的设计指标,也就是期望的工作频段,因为工作频段直接决定了天线的尺寸。如果是印刷天线,还要考虑介质板的介电常数和损耗角正切值,这里我只讲介电常数的影响,损耗角正切值会在后面的博文中讲解。     例如,现在要求设计一款工作在2.412GHz--2.472GHz(wifi 11n协议)的板载行wifi印刷天线,采用FR4介质,要求增益大于1.5dBi,电压驻波比VSWR<2。    先来看一看印刷倒F天线的基本结构,如下图:    印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例   
    印刷倒F天线主要有三个主要的结构参数,即天线的谐振长度L,天线高度H和馈点到接地点间距S(如图中),其中,谐振长度L用于调整天线的工作频率,越短则频率越高;天线高度H可用于调整天线的带宽,H越大,带宽则越大;S则用于调整天线的输入阻抗,S越小,阻抗越大,换句话说,S可以直接用于调整天线的VSWR性能。    下面看具体的设计过程:    第一步,先计算天线的基本尺寸,以2.45GHz作为中心频点,则对应的自由空间波长                                  lambda0 =v/f=122mm,其中v为光速,f为需要的频率;    第二步,计算单极子天线的长度,这里要注意,通常板载天线使用的都是单极子天子,单极子天线通常采用四分之一个波长,而偶极子天线采用半个波长或一个波长(相关知识可以在百度上搜索,这里不做过多的重复),因此,对应的单极子天线长度为                                 1/4*Lambda0=30mm;    第三步,需要考虑FR4介质板对天线的影响,作为印刷天线来讲,天线一面蚀刻在介质板上,另一面裸露在自由空间中,因此,天线的实际长度还会收到介质板介电常数的影响,当天线完全处于介质中时,其波长                                 Lambdae = Lambda0/(e^0.5)(e表示介电常数)   对于印刷天线来讲,由于其一半在空气中,一半在介质板上,因此它的长度介于 四分之一个介质波长和四分之一个自由空间波长之间,设计中暂时取中间值,根据上面的计算,四分之一个介质波长为1/4*122/(4.4^0.5)=15mm,因此,可取天线的初始长度为22mm。     根据上图来看,初始长度即为 天线高度H和谐振长度L的和,我们可以自己定义 H=5mm,L=17mm,S=5mm,天线宽度W=1mm,采用HFSS建立三维仿真模型(具体的建模过程可向作者咨询),建立的模型如下:  印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例
   根据初始尺寸进行仿真,得到如下结果: 印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例      从S11参数来看,天线的工作频率覆盖了2.3G--2.6G(S11<-10),达到了我们预期的设计要求,下面我们来看一看L,H和S对天线性能的影响,如下图:印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例印刷天线设计方法——以2.4G印刷倒F天线为例


取L1=17mmL2=16mmL3=15mm;H1=5mmH2=5mmH3=3mm;S1=4mmS2=5mmS3=6mm从以上的仿真结果,可以非常清晰的看到三个主要常数对天线性能的影响:即谐振长度L用于调整天线的工作频率,越短则频率越高;天线高度H可用于调整天线的带宽,H越大,带宽则越大;S则用于调整天线的回波损耗S11性能。具体的影响效果总结如下:

结构参数变化趋势谐振频率输入阻抗L增大减小减小减小增大增大H增大减小增大减小增大减小S增大增大减小减小减小增大    需要特别注意的是:单极子天线是依赖于地平面而存在的,通过镜像产生的天线效应,受地平面面积的影响较大,所以一旦确定了天线,尽量不要不要改变地平面的面积,否则天线需要重新仿真设计。具体的大家可以自己仿真尝试分析。有想学习天线设计的朋友可添加我的QQ:3180564167 咨询,备注新浪博客或CSDN博客本人从事天线课程培训,详细如下:天线设计实战课程视频教程录播课,包括:
1、经典结构天线设计(包括蛇形天线、IFA天线、PIFA天线、LOOP天线和缝隙天线等经典结构的设计分析和实例演示)299元;
2、天线匹配网络设计(采用ADS和HFSS联合仿真,包括窄带匹配电路设计、宽带匹配电路设计和多频匹配电路设计)199元;
3、全网通手机天线设计(包括单极子板载手机天线、立体结构式手机天线、PIFA手机天线、全金属边框手机天线、全金属背盖手机天线等多种主流手机天线的设计分析实例演示)499元;
4、滤波器设计高级课程(LC滤波器、微带高低阻抗滤波器、平行耦合微带滤波器、最佳分布式微带滤波器等主流结构的滤波器设计分析与实例演示)249;
5、功分器设计(包括一分二功分器、一分四功分器和多级超宽带功分器设计分析和演示);
6、基站天线阵元设计(主流45度极化MIMO高增益定向天线)
以上全部视频教程全套购买优惠价1199元(功分器和基站天线阵元设计为赠送课程),有意者联系汪老师 13108735323 ,QQ:1216584905,3180564167
IFA天线试听:链接:https://pan.baidu.com/s/1o9e37jO 密码:58db
微带线滤波器试听:链接:https://pan.baidu.com/s/1kW4YdoV 密码:1e3h
全部课程均由本人讲解和录制,并提供永久性答疑