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：

學個Antenna：手機天線入門對手機天線的類型進行了科普，學個Antenna：手機天線之寬帶匹配原理也用實例讓讀者了解LC匹配網絡的應用。本次推文則通過一個簡單金屬中框天線的仿真實例對電小天線模式分析-組合法和LC復雜匹配網絡進行闡述。

本文使用的軟件為CST 2018版本

復雜匹配理論

在上次推文學個Antenna：手機天線之寬帶匹配原理中，我們利用并聯LC匹配實現了窄帶微帶貼片天線的頻帶拓展！

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。

其實現的原理就是根據低頻和高頻在Smith圓圖的阻抗位置不同，利用LC電路的選頻特性進行高低頻的匹配。下面我們對其實現原理進行理論上的闡述：

對于串聯LC電路，其低頻呈現容性，高頻呈現感性（不考慮電容和電感的自諧振效應），對于并聯LC電路，其低頻呈現感性，高頻呈現容性。

假設串聯LC的低頻等效電容值為，高頻等效電感值為，頻率單位為，則整個阻抗關系可有以下阻抗矩陣表述：

同理可得，假設并聯LC的低頻等效電感值為，高頻等效電容值為，頻率單位為，則整個導納關系可由以下導納矩陣表述：

上述兩組矩陣方程的待求的和則可通過矩陣求逆計算得出：

比如要實現低頻呈現，高頻呈現。通過計算可求得：

帶入到CST circuit建模仿真可得：

CST Schematic仿真結果

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

LC并聯電路的計算也是同理。

金屬中框手機天線

金屬中框手機天線案例：

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

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

金屬邊框天線設計主要是利用金屬邊框做為天線的一部分進行輻射，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

在手機天線的實際調試中，一般采用模式分析-組合法進行天線設計。由于手機內部所需頻帶比較寬，因此單天線實現多頻諧振的需求就應運而生。

下圖是一個金屬中框手機天線模型，為了簡單起見，整個金屬中框開了一個斷口，并且在機身拐角處采用了單饋電點進行激勵。

CST-金屬中框手機天線模型

當1端口激勵時，其仿真結果如下圖所示。左圖為激勵狀態下，兩種輻射模式的電流路徑圖示：綠色的為IFA的1/4波長模式，紅色為Monopole的1/4波長模式。按照預先的設計思路可以在此處實現WIFI 2.4G/5.8G雙頻。

CST時域仿真求解器(點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，有人肯定第一反應是WIFI 2.4G串聯電感上去，WIFI 5G串聯電容下來，用LC串聯電路實現。可是理論上LC串聯只能實現低頻等效為電容、高頻等效為電感的特性，上述思路不行！

于是換一個思路，先通過LC電路將WIFI 2.4G搬移到感性區，WIFI 5.8G搬移到容性區：先并聯一個電感（藍色虛線所示），再串聯一個電容（綠色虛線所示），如下圖所示：

左圖為匹配前Smith圓圖

右圖為并聯電感-串聯電容后的Smith圓圖

到這一步就可以采取上一推文的串聯LC電路實現高低頻的分別匹配了：

LC匹配后的仿真結果(點擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為整個匹配所采用的LC網絡示意圖，S11和Smith阻抗圓圖。

中間兩個串聯電容可以用一個0.26pF電容進行簡化。

LC匹配前后的結果對比(點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比圖。

*本文的圖片部分來自互聯網和CST仿真軟件結果，致謝Markdown Nice提供的公式排版服務

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