标签: 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

博主按：本文完成于2011年11月01日，新开博客，拿来充数   一 . 理论分析 八木天线由一个有源振子和若干无源振子组成   有源振子与馈线直接相连，引向器和反射器都是无源振子。有源振子在被馈电后在空间产生电磁波，通过耦合在无源振子上产生感应电流并发生辐射。 改变振子长度与间距时，无源振子上感应电流的幅度和相位也随之变化。适当地调整振子的长度和间距就能获得良好的方向图、阻抗等电气指标。若无源振子与有源振子间距小于λ /4 ，且长度短于有源振子，方向图指向无源振子一侧，相应的无源振子被称为引向器。比有源振子长的无源振子则称为反射器。     二 . 天线设计 1. 单元数目 N 的确定 振子数目 N 主要根据增益和方向性系数确定。由于八木天线效率一般高达 90% 以上，因此增益近似于方向性系数。八木天线是慢性波结构的行波天线，因此它的增益可以用行波天线估算。即： G ≈ 10L/ λ（ 1 ） 下图为增益 G 与振子数目 N 的关系图： 由于尺寸限制为 150*100mm 的 FR4 PCB 板，且增益要求 7dBi ，也出于留有设计余量的考虑。故取 N=6 。   2. 引向器的设计 引向器是八木天线的关键部分，对天线的增益、后向辐射、输入阻抗等都有明显的影响。确定 N 之后，则引向器的数目为 N-2 。间距 d 的取值范围一般为（ 0.15~0.4 ）λ，超过 0.4 λ则增益会下降。 d 较大时，波瓣较窄，输入阻抗频响较平稳，但副瓣较大； d 较小时，副瓣电平低，抗干扰能力强，但增益稍差。 确定引向器的方法有两种，（ 1 ）采用等长无源振子，长度范围取（ 0.38~0.44 ）·λ，加工简单方便，但带宽较窄；（ 2 ）采用不等长无源振子，先取第一个引向器（靠近有源振子）为 0.46 λ，之后按照 2%~3% 缩短系数递减，可以实现较宽带宽，但加工复杂。本次试验为了仿真方便，采用第一种方法。 为方便仿真调试，引向器按照等间距排列。 3. 反射器的设计 反射器通常只用一个无源振子。前人大量实验表明，在第一个反射器后再增加反射器对增益帮助甚微。 反射器长度需要长于有源振子和引向器，取值一般为（ 0.5~0.55 ）λ。且最小不能小于半波长。同时，振子粗细对天线输入阻抗有一定影响。振子越粗阻抗越低，对展宽带宽有直接帮助。故本次试验将有源振子后的地作为无源振子。 4. 有源振子的设计 有源振子可采用单根半波振子或折合振子，长度一般为 0.475 λ。若振子越粗，可适当减 短，但不能短于引向器。采用折合振子可扩宽带宽。在天线的输入端与馈线之间应加阻抗变换器，若采用同轴馈电，则需要加巴伦使得天线左右振子电流分布对称。 为简化仿真，本次试验采用单线半波振子，并且在天线输入端设置为集总端口并且设两边电流分布对称。   天线模型如下图：   三．试验结果       四．试验总结 有些地方设计存在缺陷。主要问题在于仿真馈电的设置。因为设置方式的问题，实际生产中可能就需要通过焊同轴线来实现一个 I 型巴伦。从生产的角度上来说，增加了工序，降低了一致性，属于较严重的设计缺陷。后续试验应该直接加 III 型巴伦结构或其他形式来实现平衡 - 不平衡转换。     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 4.2.4GHz Yagi PCB Antenna  作者： TI