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标题: 通讯模块板载天线设计的原理以及方法 [打印本页]
作者: 成都亿佰特 时间: 2025-10-17 17:39
标题: 通讯模块板载天线设计的原理以及方法
蛇形板载天线是无线通讯模块应用最广泛的一种天线类型，应用在蓝牙、WiFi、ZigBee等对性能要求不高、但对空间要求比较高的领域。作为天线工程师，每次给前端电路工程师调试设计天线的时候都会好奇的问到：为啥这个天线要搞成这个形状？为什么要选择性的layout在PCB板的某些区域？6 ?8 ^+ w4 r# J8 a I3 B
; `0 J! e+ M& M+ F: ]- k其实我们在做板载蛇形天线设计并没有这些说法，抓住其基本原理，然后可以根据板载所给净空区、结合天线周围环境如金属、大电容、电感、屏蔽罩等实际情况，天马行空的“作画”满足设计要求即可。, k y% B. d/ k4 V
3 e0 s( v' G/ Q) {0 g, J一、原理
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. W. `* e8 G. F& S! ^' B3 e1、蛇形天线的电流分布如下图所示：! h' [. X9 X2 a
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图1 蛇形天线电流方向分析4 z2 ]$ y7 B- k$ x1 ~0 U6 N w) X
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从图中可以看出、蛇形走线的相邻两个折弯上电流大小相等、方向相反；从电磁场产生的原理，如果蛇形走线相邻两个折弯无限靠近时，电磁辐射完全抵消，不对外辐射能量，增益很差。故在设计走线的时候一定要结合给定的天线“净空区”平衡天线面积与小型化要求，不能没有原则的退让，以牺牲天线的增益来换取产品的美观。
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+ j M4 y$ d* ]* d2、当前常见的蛇形天线主要有以下几种，如图：. Z/ V6 E/ c* M
& O, f9 q9 S1 u3 [* N通讯模块板载天线设计的原理以及方法# p& z3 R5 c: t; c: @3 D z- }! i
. k# p2 I+ d, G图①、②为普通的单极蛇形天线。图③为带寄生的蛇形走线，寄生单元可以增加带宽。图④为单极蛇形的变形-倒F天# z, O0 Z j, E' n9 _! _" M
5 c, j( d0 E# m7 o9 ~5 |二、实例设计演示
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现在我们以B类结构为例，来简单的设计一个2.45GHz的B类天线结构模型，天线每一段的弯折情况及个段的结构如下：5 o, o7 s% }; O4 u& G' L7 |
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通讯模块板载天线设计的原理以及方法
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$ Q' R% r/ E! a0 P" \" z8 n图3 天线初始尺寸设置
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HFSS模型建立要注意，由于本文所设计的为单极子天线，因此设计中要充分考虑地平面对天线的影响，地平面需要有足够大的面积，以使得天线能够获得较好镜像，实现f射，模型如下：
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图4 HFSS模型
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回波损耗S11仿真：- P' w; ?4 C" I: N! [
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图5 S11仿真结果
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从仿真图中可以看出，S11的仿真结构是比较好的，完全可以达到2.45GHz的工作频段和带宽要求。可能有的朋友会有疑问，因为有些朋友是天线的初学者或者经验不足，可能设置初始尺寸时经验不足，从而导致初始尺寸的仿真结构较差，比如工作频点与预期的偏差较大，S11太大等等，这些情况都是存在的。现在我们就来分析下出现这类情况的时候我们应该怎么来解决：
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6 n% A# j# w, q d1、工作频点调整& r c) Q {, x+ R- X$ V4 {8 I
L& x+ n/ {3 l6 `2 A! A! H天线的谐振频段是由天线的有效电流路径长度决定的，因此要调整工作频段，就要考虑从天线的物理长度入手。
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通常，我们设计中需要在蛇形天线的末端预留一段用变量表示的枝节，如下图所示最右端所标示长度为L的枝节，做优化时，只需要简单的改变此段长度即可，例如，我现在在刚刚建立的模型上做一个示例，令L分别等于1.5mm，2mm，2.5mm和3mm时，来求解其对应的工作频段，求解结果如下：2 U4 C5 q9 S) ?) R, C0 r
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图6 L的长度对谐振频点的影响7 y" l2 l* F, @
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从图中看到，L变化时，天线的谐振频点也会产生非常明显的变化，随着L减小，天线的谐振频率随之下降。; A1 Z, f' O! _* }
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2、 S11改善1 a+ ~3 R( e7 U: V0 x+ L
5 E8 A q) B" r0 s7 p; YS11的决定因素是天线的输入阻抗，通常，单极子天线默认的输入阻抗为50欧姆，当所设计的天线输入阻抗无限接近50欧姆时，则S11将逼近无限小，反之，当输入阻抗偏离50欧姆时，则S11将变差，换句话说，输入阻抗偏离50欧姆越大，则S11越差。对于本文中所设计的天线结构，如下图所示的L2短路枝节，可以通过调整L2的长度来改变天线在2.45GHz频段上的输入阻抗大小，进而调整S11参数。我现在在模型上做一个示例，令L2分别等于4mm，4.5mm，5mm，5.5mm和6mm，来看其对应的S11的值，仿真结果如下：3 y& Y# |$ |1 c( @9 ^0 W5 e! R6 [
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图7 短路枝节L2对S11的影响! N1 r- y7 X3 q$ x, w, `. v
+ t' I3 D% `0 x0 s从图中看出，L2长度发生变化时，天线的谐振频率几乎保持不变，但是S11却有非常明显的变化，随着L2长度增加，S11逐渐变好。因此实际设计中，可以通过调整短路枝节来改善S11参数。蛇形天线的结构多种多样，各位朋友一定要打开思路，尝试不同的弯折方式，将会收获意想不到的结果。
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