學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

學(xué)個(gè)Antenna：手機(jī)天線入門對(duì)手機(jī)天線的類型進(jìn)行了科普，學(xué)個(gè)Antenna：手機(jī)天線之寬帶匹配原理也用實(shí)例讓讀者了解LC匹配網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。本次推文則通過一個(gè)簡(jiǎn)單金屬中框天線的仿真實(shí)例對(duì)電小天線模式分析-組合法和LC復(fù)雜匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行闡述。

本文使用的軟件為CST 2018版本

復(fù)雜匹配理論

在上次推文學(xué)個(gè)Antenna：手機(jī)天線之寬帶匹配原理中，我們利用并聯(lián)LC匹配實(shí)現(xiàn)了窄帶微帶貼片天線的頻帶拓展！

優(yōu)化匹配前后對(duì)比：(點(diǎn)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(huì)隨著偏離諧振中心進(jìn)一步急劇下降。

其實(shí)現(xiàn)的原理就是根據(jù)低頻和高頻在Smith圓圖的阻抗位置不同，利用LC電路的選頻特性進(jìn)行高低頻的匹配。下面我們對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行理論上的闡述：

對(duì)于串聯(lián)LC電路，其低頻呈現(xiàn)容性，高頻呈現(xiàn)感性（不考慮電容和電感的自諧振效應(yīng)），對(duì)于并聯(lián)LC電路，其低頻呈現(xiàn)感性，高頻呈現(xiàn)容性。

假設(shè)串聯(lián)LC的低頻等效電容值為，高頻等效電感值為，頻率單位為，則整個(gè)阻抗關(guān)系可有以下阻抗矩陣表述：

同理可得，假設(shè)并聯(lián)LC的低頻等效電感值為，高頻等效電容值為，頻率單位為，則整個(gè)導(dǎo)納關(guān)系可由以下導(dǎo)納矩陣表述：

上述兩組矩陣方程的待求的和則可通過矩陣求逆計(jì)算得出：

比如要實(shí)現(xiàn)低頻呈現(xiàn)，高頻呈現(xiàn)。通過計(jì)算可求得：

帶入到CST circuit建模仿真可得：

CST Schematic仿真結(jié)果

從上面仿真結(jié)果可知低頻，高頻，可通過公式反推此LC串聯(lián)電路可等效的電容和電感值分別為：

LC并聯(lián)電路的計(jì)算也是同理。

金屬中框手機(jī)天線

金屬中框手機(jī)天線案例：

http://www.mweda.com/mwqa-9144-1.html

上圖為實(shí)用新型專利授權(quán)說明書CN202021374711.2中的一種GPS-WIFI二合一的金屬中框手機(jī)天線示意圖。知乎上有篇關(guān)于金屬中框天線的闡述答文：

金屬邊框天線設(shè)計(jì)主要是利用金屬邊框做為天線的一部分進(jìn)行輻射，這種方式一般只有以下幾種天線形式：IFA、Monopole、Loop。

https://www.zhihu.com/question/35063849?sort=created

在手機(jī)天線的實(shí)際調(diào)試中，一般采用模式分析-組合法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)。由于手機(jī)內(nèi)部所需頻帶比較寬，因此單天線實(shí)現(xiàn)多頻諧振的需求就應(yīng)運(yùn)而生。

下圖是一個(gè)金屬中框手機(jī)天線模型，為了簡(jiǎn)單起見，整個(gè)金屬中框開了一個(gè)斷口，并且在機(jī)身拐角處采用了單饋電點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)。

CST-金屬中框手機(jī)天線模型

當(dāng)1端口激勵(lì)時(shí)，其仿真結(jié)果如下圖所示。左圖為激勵(lì)狀態(tài)下，兩種輻射模式的電流路徑圖示：綠色的為IFA的1/4波長(zhǎng)模式，紅色為Monopole的1/4波長(zhǎng)模式。按照預(yù)先的設(shè)計(jì)思路可以在此處實(shí)現(xiàn)WIFI 2.4G/5.8G雙頻。

CST時(shí)域仿真求解器(點(diǎn)擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為CST仿真模型俯視圖，S11和Smith阻抗圓圖。

從上面仿真結(jié)果來看，WIFI 2.4G匹配較差，WIFI 5G的Smith圈比較收斂。從阻抗圓圖（最右邊的圖）來看，有人肯定第一反應(yīng)是WIFI 2.4G串聯(lián)電感上去，WIFI 5G串聯(lián)電容下來，用LC串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)。可是理論上LC串聯(lián)只能實(shí)現(xiàn)低頻等效為電容、高頻等效為電感的特性，上述思路不行！

于是換一個(gè)思路，先通過LC電路將WIFI 2.4G搬移到感性區(qū)，WIFI 5.8G搬移到容性區(qū)：先并聯(lián)一個(gè)電感（藍(lán)色虛線所示），再串聯(lián)一個(gè)電容（綠色虛線所示），如下圖所示：

左圖為匹配前Smith圓圖

右圖為并聯(lián)電感-串聯(lián)電容后的Smith圓圖

到這一步就可以采取上一推文的串聯(lián)LC電路實(shí)現(xiàn)高低頻的分別匹配了：

LC匹配后的仿真結(jié)果(點(diǎn)擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為整個(gè)匹配所采用的LC網(wǎng)絡(luò)示意圖，S11和Smith阻抗圓圖。

中間兩個(gè)串聯(lián)電容可以用一個(gè)0.26pF電容進(jìn)行簡(jiǎn)化。

LC匹配前后的結(jié)果對(duì)比(點(diǎn)擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為匹配前后的S11，Smith阻抗圓圖和天線總效率對(duì)比圖。

*本文的圖片部分來自互聯(lián)網(wǎng)和CST仿真軟件結(jié)果，致謝Markdown Nice提供的公式排版服務(wù)

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