利用模拟分析设计基板天线

2011-06-21 16:16:15来源: 互联网

天线主要功能是将缆线与print pattern传来的电气信号转换成电波释放至自由空间,或是捕捉漫游在自由空间的电波并转换成电气信号,因此对通信电子产品而言,天线是非常重要的元件。天线设计涉及放射特性、beam宽度、等化等诸多要素,加上必需反覆不断的进行cut与try,特性量测时还需大费周章架设电波暗室、oven sit等设备,因此工程师都将天线设计视为畏途。由于模拟分析技术相当进步,尤其是电磁界模拟分析经过整合后,已经可以分析print pattern构成的天线特性(亦即所谓的基板型天线)。因此本文要介绍如何利用模拟分析,探讨负责电波输出入的基板型天线动作机制与设计技巧。设计重点
如图1所示基本上天线是将特性阻抗(impedance)Z0的回路与空间整合(matching)的电子元件,因此良好的整合可使高频电力变成电波高效率释放至自由空间,并与远方的收信机进行交信,同时还可接收远方传来的微弱电波。

设计天线必需根据系统要求的放射特性、容许形状、容许大小等要件选择天线的型式,接着利用模拟分析或是实际试作修改缺失,才能决定天线最终的形状与大小。
 

 



图1 天线的基本动作原理
 

目前已商品化的高频通信系统,几乎都是使用频宽极窄的高频信号进行送、收信,设计这类天线时必需把握下列两项要点,分别是:
①利用中心频率使其共振,而且reactance成份必需为0。
②信号输入至天线的点必需是传输线路的连接点(供电点)与阻抗、传输线路作妥善的整合(matching)。

 Monopole天线的模拟分析
图2是典型的基板型天线的外形。基于市场的需求无线电通信设备不仅是电路日益小型化,即使天线也朝向小型化方向发展,因此将小型天线设计在电路基板内的情况有增加的趋势,照片1是晶片化天线(chip antenna)封装后的外观。
 

 


(a)晶片型多层天线      (b) 晶片型诱导体天线      (c)蓝芽用陶瓷patch天线

照片1 晶片化天线的外观
 

 



图2 典型的天线外观
 

接着以图2(a)结构最简易的Monopole天线为例,并利用电磁界模拟分析软体S-NAP/Field(LE)说明基板型天线的设计技巧。图3是12.5GHz Monopole天线,长约λ/4的prints pattern一边呈开放状,印刷基板厚度为0.8mm,诱电率为2.2,印刷基板的背面呈自由空间状态,print pattern的尺寸为1.0mm(宽)×4.75mm(长)。
 

 



图3 利用单层基板制作12.5GHz Monopole天线
 

图4是根据电磁界模拟分析软体S-NAP/Field(LE)分析后,获得的天线输入阻抗频率特性与return loss特性。由图4(a)可知,marker 1为12.5GHz时,reactance成份会变成0,该频率会使天线会产生共振,此时阻抗值大约是50Ω。由图4(b)可知12.5GHz时return loss大约是21.6dB,输出至天线的电力反射低于1%,根据模拟分析求得的天线特性,12.5GHz时的放射效率大约是99.3%,也就是说实际上可将这种接近无反射现象,视为输入电力全部释放至自由空间。
 

 


(a)输入阻抗的频率特性
 

 


(b) return loss的频率特性

图4 12.5GHz Monopole天线模拟分析后的
输入阻抗与return loss的频率特性
 

‧放射特性分析
图5是频率为12.5 GHz时的print pattern表面的电流分佈状况;图6是利用上述模拟软体分析放射特性获得的结果。由图5可知由于print pattern呈开放状,因此电流值为0;此外根据图6的放射特性结果可知,电波是以天线为中心轴呈圆环状放射,沿着print pattern的轴心方向几乎无电波放射。根据以上结果获得一项结论,那就是利用模拟分析可从任意角度观察电波放射状况。
 

 



图5 Monopole天线利用模拟
分析后的电流分佈状态
 

 



图6 Monopole天线模拟分析后的放射特性
 

‧print pattern的宽度与共振频率的关系
若设计类似图2(a)所示的Monopole天线时,天线长度就成为设计重点,因为天线的长度决定天线的共振频率,亦即天线的适用频率;相较之下print pattern天线的场合,print pattern的宽度则比长度重要。为了解print pattern的宽度对天线会产生那些影响,因此利用上述模拟软体进行分析。此处假设图2(a) print pattern的宽度从1.0mm变成图7的0.25mm;图8则是模拟分析后获得的阻抗特性与return loss特性。图9与图10分别是频率为12.5GHz时的print pattern表面的电流分佈状况与电波放射特性。

由图8(b)可知,print pattern宽度一旦变窄,共振频率也随着降低;如果图8(a)的阻抗特性与图4(a)比较时,print pattern宽度一旦变窄,轨迹会变长拖延整体并朝向阻抗成份较低的方向移动,该影响造成图8(b)的return loss整体恶化3~4dB,电流分佈状况与电波放射特性则无明显改变。
 

 



图7 改变Monopole天线的pattern宽度
 

 


(a)输入阻抗的频率特性
 

 


(b)return loss的频率特性

图8 Monopole天线的输入阻抗与return loss频率特性
 

 



图9 Monopole天线的电流分佈
 

 



图10 Monopole天线的放射特性
 

‧天线未整合的场合
接着以图2(d)的Micro Strip天线为例,利用上述电磁界模拟分析软体S-NAP/Field(LE)说明天线的设计技巧。此处共振频率为9.75GHz,使用双层基板的厚度为0.8mm,诱电率无2.2,基板的背面为ground面。

图11是本Micro Strip天线的print pattern,图中央四方形是天线本体。图12是模拟分析后获得的天线输入阻抗与return loss的频率特性,由图可知若只是单纯将特性阻抗为50Ω的传输线路连接,并无法作matching。由于9.75GHz的return loss大约是1dB,因此输入至天线的电力几乎都被反射折返,根据模拟分析结果显示9.75GHz的放射效率只有20%,这意味着本天线几乎无法高效率捕捉自由空间内的电波。
 

 



图11 未经整合的micro strip天线
 

 


(a)输入阻抗的频率特性
 

 


(b)return loss的频率特性

图12 天线的输入阻抗与return loss频率特性
 

‧整合调整
如上所述由于本天线无法有效捕捉电波,因此必需作整合性调整,如图11所示具体方法是在天线50Ω传输线路连接处设置切口进行整合性调整。图13是调整后的print pattern;图14是调整后的天线输入阻抗与return loss的频率特性。

如图14(a)所示marker 1是9.75GHz的阻抗(impedance),由图可知,在9.75GHz附近就会产生共振,而且阻抗也变成50Ω左右。由图(b)可知,9.75GHz的return loss大约是27dB,输入至天线的电力反射则低于0.2%而且未发生反射,这意味着输入至天线的电力几乎全部释放至自由空间。利用模拟分析求得的天线放射效率,9.75GHz时为99.8%,这与图11的天线有极大差异,显然上述的整合调整已经获得预期效果。图15是频率为9.75GHz时 print pattern表面的放射特性。虽然上述天线是利用粘贴print pattern方式作整合性调整,不过在传输线路端追加设置元件,进行与一般电路同的微调手法并非特殊案例。
 

 



图13 经过matching改善的micro strip天线
 

 


(a)输入阻抗的频率特性
 

 


(b)return loss的频率特性

图14 Monopole天线的输入阻抗与return loss频率特性
 

 



图15 天线的放射特性
    结语
如上所述天线是通信设备不可或缺的重要元件,随着小型化的时代潮流需求,基板型天线已经成为市场主流,由于模拟分析软体的进步,工程师可透过模拟分析进行各种基板的设计与评估。

关键字:模拟分析  基板天线

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0621/article_6212.html
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