原创 针对工作在2.4GHz频段的Folded Dipole PCB天线的仿真实验

关键字： Folded Dipole  HFSS  ISM  PCB天线

摘要

折合偶极子天线是半波偶极子天线的一个变形。其表现形式为将半波偶极子两臂外侧的末端对接相连，采用双绞线或者是一对传输线对天线馈电。

本实验利用Ansys公司的HFSS V12软件，针对常见的针对ISM2.4GHz频率且具备差模RF I/O口RFIC（如TI的CC2500、Nordic的nRF24L01等），设计一款Gain≥3dBi，BW(-3dB)≥0.04（0.1 /2.45）的折合偶极子PCB天线。

正文

一.理论分析及设计背景

随着现代无线科技的发展，以及ISM2.4GHz免费频段的开放，市面上涌现了大批针对这一频段的射频IC，广泛应用于通信以及消费电子方面。其中，大家 常用的如TI的CC2500，Nordic的nRF24L01以及台湾产的IA2S4等，另有针对蓝牙的CSR的BlueCore系列等等同频而不同功用 者。经过一段时间的接触，鄙人发现此类IC都封装了两个RF I/O口，分别为RF-N口以及RF-P口。根据目前的大部分资料和参考文献，针对这类芯片的射频部分都是加一个平衡-不平衡转换器（Balun），将平 衡的差模馈电转为单端不平衡馈电，然后末端天线采用常见的IFA/PIFA/Monopole等形式。此方案成熟性较高，容易实现。但对于一些初涉射频的 朋友，Balun匹配过于难调，且增加了射频部分电路复杂程度。故鄙人在近期评估此类项目时，考虑采用一种新的天线，直接利用芯片的差模平衡馈电模式，简 化射频电路。

在设计无线通信系统的射频部分时，为实现天线的良好辐射特性，我们常常需要将天线与同轴线或者PCB上的铜走线相匹配，且归一化特性阻抗为50Ω或者 75Ω。实际上，绝大部分常见的传输线（比如双绞线、PCB上的覆铜走线）的特性阻抗都远远高于50Ω和75欧姆，达到了300~600Ω。而常见的偶极 子天线（Dipole Antenna）馈端阻抗只有73+j42.5。往往需要使用阻抗变化器与双导线相匹配，采用折合偶极子天线后，馈端阻抗接近300Ω，可以直接连接具有 相同特性阻抗值的双导线，且偶极子上电流等幅同相。其基本形式见图1

图1  Folded Dipole的基本形式

 

根据其基本形式，以及在PCB上可能实现的情况。折合偶极子天线可分为一对不辐射的传输线部分和一对偶极子分别分析。具体情况如图2：

 

 

图2 将折合偶极子天线分为传输线和偶极子，左边为传输线模型，右边为偶极子模型

        针对图2中的传输线模型，由于实际使用RFIC为差模供电，在传输线上等幅反相，远场上看来起了相互抵消的作用，故传输线模型不参与辐射。但作为折合偶 极子天线的一部分，此时我们为了获得天线的输入阻抗，需要对传输线模型进行阻抗分析。在传输线模型上，a至b，e至f显示为短路，根据传输线阻抗公式，于 是我们可以列出以下推导：

 

 

 

以上为传输线理论推导过程，在西电版的《微波技术与天线》上还有关于利用辐射功率来推导这一过程的内容，此处不再详细列出，仅供参考用。

 

二.天线设计

        由之前的理论分析及公式推导知，天线为一般偶极子两臂外侧末端相连，且间距s远小于波长，天线臂长应为波长的二分之一。而常见的ISM2.4GHz频段 为2.4~2.4835GHz，即半波长为60.4~62.5mm。又因为对带宽有要求，故将3dB带宽的频率上限做到2.5GHz以上，即 60~62.5mm。然则如此设计会导致PCB体积较大，增加量产成本。对此，鄙人在TI的文档上看到一种PCB布局，可有效减小天线尺寸以实现效果，如 图3所示

 

图3 TI使用折合偶极子的PCB布局

 

此模块工作于ISM2.4GHz频段，且天线尺寸仅为46*9mm。参照此布局，鄙人的设计如图4所示：

 

图4 实验建模图

        图中天线线半径为0.15mm，天线尺寸为41.8*9mm。PCB尺寸为45*20。适用于常见的无线音箱等消费电子产品。

 

三．试验结果

 

 

 

 

由以上图形知，天线增益为3.6dBi，3dB带宽约为0.0489，基本实现设计要求。

 

四．试验总结

        本次实验基本实现目标性能。但缺陷较明显，即PCB尺寸稍大。本人在后续优化中尝试使用串并集总元件的方法来改善天线匹配，以期减小天线尺寸。发现加集 总器件后能在一定程度上优化工作频段的阻抗匹配，以实现天线小型化。但对天线的增益有一定损耗，且辐射效率有下降，会影响整机系统灵敏度。另，本模型的 S11参数并不十分良好。我个人认为主要原因是天线的馈端阻抗300Ω，较难与仿真设置中的50欧姆相匹配。对此，还希望大家能多多指教。

        本次实验的完成，需要感谢新浪微博网友小狐狸Mavis对软件建模方面的帮助与指导。也感谢微网管理员00d44对天线调试及优化方面给出的建议和指导。

五．参考文献

1.天线（第三版） 作者：John D.Kraus

2.天线工程手册   作者：林昌禄

3.无线网络射频工程：硬件、天线和电波传播  作者：Daniel M.Dobkin

4.AN058应用报告（天线选择指南）  作者：TI

5.Antenna Theory Analysis and Design 3^rd  作者：Constantine A. Balanis

6.微波技术与天线（第二版） 作者：刘学观