PCB天线倒F天线设计计算方法.pdf

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1、理论：天线属于一个专业性比较强的学科，包含天线的具体设计过程和原理，天线多频的实现方法，如何使用电容、电感等集总原件来匹配和改善天线的性能。相关天线包含蛇形天线、倒F天线、PIFA天线、LOOP天线、缝隙天线和边框天线等。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。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，

2、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（wifi11n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。具体设计过程：第

3、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

4、于介质中时，其波长为：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：根据初始尺寸进行仿真，得

5、到如下结果：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：取L1=17mm，L2=16mm，L3=15mm；H1=5mm，H2=5mm，H3=3mm；S1=4mm，S2=5mm，S3=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增大减

6、小减小L减小增大增大增大减小增大H减小增大减小增大增大减小S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。