學個Antenna是以天線仿真和調試為主，理論原理為輔的干貨天線技術專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設計、調試過程及思路。如有想看到的內容或技術問題，可以在文尾寫下留言。
摘要：
隨著智能手機性能的日臻完善，多攝、快充大電池、高性能散熱要求等，不斷擠壓著預留給天線設計的凈空區域。這也使得本就屬電小尺寸的手機天線具有更高的Q值，更窄的帶寬。因此提高天線輸入端口的匹配性能，使得天線總效率接近理論輻射效率，顯得尤為重要。
本文先引入一款理解和學習阻抗匹配的“神器”，然后以微帶貼片天線為例，用簡單的LC匹配網絡進行寬帶匹配。
本文使用的軟件為CST 2018版本
一款理解和學習阻抗匹配的“神器”
來自Bern University of Applied Sciences的博士生Fritz Dellsperger原創的一款Smith圓圖軟件 。簡單易用，在阻抗匹配的學習和驗證中還是比較有用的！
https://www.advanceduninstaller.com/Smith-V4_1-a64019eca825004160867e4fe3f030ed-application.htm
1. 集總LC匹配：
5.8GHz阻抗(ohm)為100-j100，并電容串電感方式實現匹配
2. 微帶線匹配：
示例1中，5.8GHz阻抗(ohm)為100-j100，僅用2節微帶線也可以實現匹配
- 先串聯50ohm微帶線，使其與匹配圓相交，然后再串聯高阻抗微帶線即可實現匹配。這里高阻抗微帶線其實和電感的特性差不多，原理如下：
- 由微波工程的微波網絡分析一節易得長度為L無耗傳輸線，其A矩陣為：
- 當特性阻抗
變為高阻抗時，
，該矩陣退化為上三角矩陣: ???????
- 這與串聯電感的A矩陣類似：
在上述示例中，5.8GHz阻抗(ohm)為100-j100，除了用2節微帶線，一節能不能實現呢？答案是肯定的！
在上面視頻中，用了一節125ohm左右的微帶線即實現了匹配，從匹配軌跡上來看，其實就是DP1以125ohm在smith圓圖上對應的點為圓心，繞著其順時針旋轉。理論上只要在實軸上找到一個阻抗點，使得其到待匹配點和匹配點距離一致，就可以實現單微帶線匹配。
窄帶貼片天線仿真
下圖邊饋式貼片天線（采用1mm厚度的FR-4基板），其理論的帶寬比較窄。
窄帶貼片天線-CST仿真結果(點擊小圖可看清晰大圖）
- 從左到右依次為CST仿真的S11，Smith圓圖，天線的輻射效率和總效率。???????
- 可以看出該天線的10dB帶寬大致為200MHz（3.44%左右的相對帶寬）。???????
- 從最右邊的效率圖可知，除諧振頻率附近外，遠離中心頻率的頻段由于沒有得到良好匹配，天線的總效率（綠色曲線）迅速下降
寬帶匹配方式1
在之前的推文中，我們在文末推薦了清華大學-張志軍撰寫的Antenna Design for Mobile Devices。其中第二章節就是Antenna Matching，2.2.4的Bandwidth Consideration舉了3個拓展頻帶的集總LC元件匹配方法。
這里將應用Example 2.1的匹配思路（如下圖所示）進行帶寬的拓展。
如上圖所示，諧振中心附近其S11迅速惡化。從圖b也可看出，Smith圈比較發散，除諧振頻率點在純電阻線上，其他頻點在Smith圓圖上則逐漸遠離匹配中心，因此S11看起來在1.35GHz左右取到極小值。良好的匹配應該是盡可能將阻抗線（圖b黑色曲線）在寬頻帶內向匹配點處收斂。
如圖b所示，High band處于感性區，Low band處于容性區。High band通過并聯電容可以向下搬移，Low band通過并聯電感可以向上搬移。假設低頻需要電感值為
，高頻需要電容值為
，選擇合適的
，
同時滿足高頻和低頻的匹配，以及并聯LC電路的諧振頻率在待匹配的諧振頻率附近，
，就能實現下圖所示寬帶匹配效果。
并聯LC電路的輸入阻抗如下圖所示，可以看出低頻呈現感性，高頻呈現容性，理論上同時實現低、高頻的匹配。
在利用并聯LC元件拓展帶寬前，先增加貼片天線饋線寬度，使Smith圈靠低阻區挪動，便于后續的匹配設計。
下面按上述方法，增加并聯LC匹配電路，可以看出10dB帶寬拓展到了400MHz。
寬帶匹配方式1：并聯LC電路(點擊小圖可看清晰大圖）
優化匹配前后對比：(點擊小圖可看清晰大圖）
從上圖可以看出，諧振中心頻帶得到拓展，而邊帶的天線總效率則會隨著偏離諧振中心進一步急劇下降。
下期預告：復雜匹配網絡在手機天線的應用實例。
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本期原創工程師：94巨蟹座少年
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