2.4G板載PCB IFA天線仿真設(shè)計(jì)
?本次推文簡(jiǎn)單介紹下2.4GHz的板載PCB IFA天線的HFSS仿真與設(shè)計(jì)。
PCB板載天線
PCB(Printed Circuit Board)板載天線是現(xiàn)代電子設(shè)備中用于無(wú)線通信的一種關(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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)
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緊湊性:PCB板載天線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。
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成本效益:與外置天線相比,板載天線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。
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性能與可靠性:通過(guò)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化,PCB天線可以實(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。
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定制化:板載天線可以根據(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),以滿足特定應(yīng)用的需求。
主要類(lèi)型
PCB板載天線的設(shè)計(jì)多種多樣,常見(jiàn)的類(lèi)型包括:
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單極子天線(Monopole Antenna):通過(guò)調(diào)整天線臂的長(zhǎng)度來(lái)控制諧振頻率。
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倒F天線(Inverted-F Antenna):通過(guò)調(diào)整天線臂的長(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。
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環(huán)天線(Loop Antenna):環(huán)天線的尺寸和形狀會(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。
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微帶貼片天線(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天線的演變
1. 單極子天線(Monopole Antenna)
單極子天線是最基本的天線類(lèi)型之一,由一根直立的金屬棒構(gòu)成,下端連接到饋線和接地平面。單極子天線的長(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(Inverted-L Antenna)
為了解決單極子天線尺寸過(guò)大的問(wèn)題,倒L天線應(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。
3. 倒F天線(Inverted-F Antenna,IFA)
倒F天線進(jìn)一步優(yōu)化了倒L天線的設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸。IFA天線在倒L天線的基礎(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天線中,新增短路臂這一設(shè)計(jì)相當(dāng)于在原有的倒L天線基礎(chǔ)上并聯(lián)了一個(gè)電感。電感的存在改變了天線的阻抗特性,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)化天線的阻抗匹配。
4. 蛇形倒F天線(Meander Inverted-F Antenna)
隨著對(duì)更小尺寸和更寬頻帶天線需求的增加,蛇形倒F天線的概念被提出。蛇形天線通過(guò)將天線臂設(shè)計(jì)成曲折的蛇形結(jié)構(gòu),可以在有限的空間內(nèi)增加天線的有效電長(zhǎng)度,從而實(shí)現(xiàn)與較長(zhǎng)直立天線相當(dāng)?shù)男阅堋.?dāng)這種設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于IFA天線時(shí),蛇形倒F天線就誕生了。它結(jié)合了IFA天線的緊湊性和蛇形天線的尺寸優(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,倒L天線,再到倒F天線,蛇形倒F天線,這一系列演變體現(xiàn)了天線設(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。這些天線類(lèi)型的發(fā)展,不僅推動(dòng)了無(wú)線通信技術(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HFSS仿真
設(shè)計(jì)PCB板載天線時(shí),工程師通常使用電磁仿真軟件來(lái)優(yōu)化天線的性能,預(yù)測(cè)其在實(shí)際環(huán)境中的行為。這包括分析天線的增益、效率、輻射方向圖和阻抗帶寬等,確保天線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,天線布局凈空:40mm*15mm,工作頻段2.4GHz~2.5GHz,S11<-10dB。
建模
在高速射頻線路設(shè)計(jì)中,PCB饋線往往采用CPW(Coplanar Waveguide),也稱(chēng)為共面波導(dǎo)傳輸線結(jié)構(gòu),由中央的信號(hào)饋線和兩側(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)線和微波信號(hào)線。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,以及一個(gè)集總端口面,并在周?chē)蛏弦蝗拥乜住榱藴p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、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,可以考慮在天線饋線處放置一個(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)線通信中的板載天線,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,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)型的天線可能對(duì)最大通信距離產(chǎn)生的影響。
作者:微波天線工程師