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SMC绝缘板本质是从贴片天线演变而来

作者:admin 来源:本站 日期:2019-10-20 00:42:15

  微带天线先是Deschamps在1953年提出来,然后到了二十年后工艺能力匹配上了,实际的微带天线才做出来。早的微带天线是Howell和Munson在上个世纪70年代初期研制成的。

  首先是天线的几个基本参数,这些参数都是OTA(Over The Air )测试必测的一些参数:

  电压驻波比指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比,波腹电压为入射电压与反射电压振幅之和,波谷电压为入射电压振幅减去反射电压振幅。

  一个天线发射了信号,在附近的另一个天线接收到了此信号,此时接收信号的功率与发射信号的功率比。

  以一个固定的点观察天线上的电场,其在时域下做持续性辐射时(即激励源不同相位下传播),电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影图形就是其极化性。本质上线极化和圆极化都是椭圆极化的某一极限情况。

  连接器,馈线,天线,滤波器等无源部件在多个载频的大功率信号条件下,由于部件本身存在非线性而引起的产生新的频率,这些新的频率与原有频率混合在一起,就产生了互调效应进而影响到系统。对于PCB 微带天线来说,PIM的主要来源是板材与铜箔。

  全向天线的水平面方向图不圆度是指在水平面方向图中,其值或小值电平值与平均值的偏差。

  设计一个PCB微带天线的关键在于,中心频率对应的有效电气长度、宽度、馈线的阻抗及位置。

  所谓有效电气长度,是指除了微带天线对应频率半波长还要加上一个边缘效应引起的电气相位偏移(所谓边缘效应,值得是微带线的电场在由空间进入介质时会产生一个折射,在靠近微带线边缘的区域,这个折射会造成电场矢量发生弯曲。)。这个长度与宽度将直接决定天线谐振的频率。

  /2,W越大增益越大,但同时也决定谐振频率。由于贴片下通常有参考地,因此贴片天线的辐射图通常是半空间。馈线长度为四分之一波长,馈线的阻抗近似为sqrt(50*Zant)。

  对于缝隙天线的设计,是基于巴比涅光学互补原理,通常缝隙的宽度越小,缝隙的输入阻抗就越小。设计时的基本原则就是,缝隙的长度要近似为半波长,宽度要远小于波长(建议为𝜆0/50~𝜆0/20

  ),同时馈线的选取位置也是会对输入阻抗造成较大影响的。对于PIFA天线,本质是从贴片天线演变而来,通常贴片天线的中间为电场弱点,在这个位置加上接地短截线后,由于在贴片上的电流流向发生了改变,天线上的部分电流返回路径将缩小近一半,节省一半的面积;也可以视作在单极天线上并一个微带电感,这个并联微带电感是用接地短截线实现的,由于单极子本身为并联容性,并上这个微带电感后,可以大大增加其输入电抗并减小其输入电阻,使得PIFA更容易匹配。但是相应的,由于并联电感的存在,电抗增加而输入电阻变小,使得天线的Q值变大,相对带宽要小于单极天线。

  接下来我们以一个2.4GHz全向蓝牙天线为实例,看看其主要无源特性。有源特性需要结合射频的FEM(Front End Module 即包含了SPDT、PA、LNA等的有源模组)来看,此处不做详细分解。

  确定了用普通FR4板材以及单板厚度仅为1mm以及面积,基本可以确定该天线为全向电小天线dBi。确定PIFA天线的长边长度应该近似为工作在2.4GHz时的四分之一空气波长,总长度大约为31.25mm,通常微带天线由于有边缘效应,长度会长于四分之一,这里我们先定长度为38mm好了。

  天线尺寸和单板尺寸可知,该PIFA只适合在宽度方向上做绕线。原因是馈线建议与长度方向平行,除了介质厚度,就是地平面面积决定天线增益性能。天线金属边缘离板边建议保留0.75mm以上间距(工艺间距及边缘效应)。为保证金属表面电流流向不影响全向性,同时避免过高的自耦和造成尺寸增加,绕线个绕线b,再加上一段平行于板宽方向的长度c以及与接地短截线相连的线长d。a为单个平行于板长方向的绕线线线长,b为单个平行于板宽方向的绕线,这样四分之一波长天线就结构就基本上出来了。为方便计算,我们暂定线mm,那么b我们可以暂定为0.625mm。

  由于单板给到天线mm,我们至少要预留给馈线mm,原因是有一定长度的馈线便于做输入阻抗转换及加匹配电路。这样,留给天线mm以下,这个距离再减掉离板边的0.75mm,再减小到GND的过渡线mm,留给

  F处输入电抗为0。若天线开路线输入电抗为Xopen,接地短截线的输入电抗为Xshort,那么两者并联所得的电抗为0。

  有以上结果可知,只要Lopen为四分之一波长,就已经可以振荡,而这个Lshort存在的目的就是为了改变输入电阻,不同长度宽度让电阻不同,从而改善带宽及驻波比。通常这个长度为

  。建立模型如下图。由于Waveport需要加载在边界上,因此建模时延长了50ohm 共面波导的长度,我们可以De-embedding平移回去。

  这里有个小提示,waveport用在GCPW时,要主要把铜箔厚度上的面用boolen函数里的substract函数处理掉,这部分对电源驻波比的结果精度是有影响的:

  PIFA的初次仿真结果请参考下图,注意HFSS天线算出的效率为辐射效率是基于模型中的边界条件(可等效于暗室中测单体天线),实际产品的天线应用场景会有各种各样的导体、磁性材料介入,且实际单板不会是完整的地平面,这些都会导致效率下降,若要仿准,请将这些模型加入(如何简化模型,就是关键能力了):

  本文主要讲PCB上的微带天线设计,以全向性应用为主,因此只做了简单的介绍,并提供一个设计思路,对于定向高增益天线的参数没有一一列出(例如天线的Q值,带宽、效率与介质厚度以及线宽的关系,波束宽度,前后比,轴比,下倾,功率容限,缝隙天线的详细设计方法,PIFA和Monopole的区别等等)。后续有机会可以继续讨论。

  本文用的是waveport端口平移的方式建的GCPW模型,若要用lumped port建GCPW模型,需要注意虚拟PEC与馈线的间距要与馈线到GND的间距一致。实际上,这种情况下lumped port建出来的模型在辐射结果上会更接近于测试结果。

  微带天线的辐射仿真,空气盒子的大小原则,注意看地平面的设计,有地的区域,盒子可以直接相切。没有地的区域都是要做辐射的,距离要符合边界条件要求,例如辐射边界就是四分之一波长左右,FEBI就是八分之一波长左右,PML不到五分之一~四分之一波长。

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