?本次推文簡單介紹下2.4GHz的板載PCB IFA天線的HFSS仿真與設(shè)計。

PCB板載天線

PCB（Printed Circuit Board）板載天線是現(xiàn)代電子設(shè)備中用于無線通信的一種關(guān)鍵組件，它直接集成在電路板上，而非獨立安裝。這種類型的天線設(shè)計主要用于那些對空間有嚴(yán)格要求的便攜式或小型化設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備、可穿戴技術(shù)、汽車電子系統(tǒng)和各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

特點與優(yōu)勢

1. 緊湊性：PCB板載天線因其小巧的體積而聞名，非常適合空間受限的設(shè)備。它們可以設(shè)計成各種形狀和尺寸，以適應(yīng)不同電路板布局的需要。

2. 成本效益：與外置天線相比，板載天線減少了組裝成本和物料清單（BOM）成本，因為它們不需要額外的安裝過程或外部連接器。

3. 性能與可靠性：通過精心設(shè)計和優(yōu)化，PCB天線可以實現(xiàn)良好的輻射效率和所需的增益，同時減少信號干擾和衰減。它們通常具有穩(wěn)定的性能，因為它們不易受到機(jī)械損傷或環(huán)境因素的影響。

4. 定制化：板載天線可以根據(jù)特定的頻率范圍、帶寬要求和輻射模式進(jìn)行定制設(shè)計，以滿足特定應(yīng)用的需求。

主要類型

PCB板載天線的設(shè)計多種多樣，常見的類型包括：

• 單極子天線（Monopole Antenna）：通過調(diào)整天線臂的長度來控制諧振頻率。

• 倒F天線（Inverted-F Antenna）：通過調(diào)整天線臂的長度、寬度以及短路臂的尺寸來控制諧振頻率和阻抗匹配，適用于需要緊湊設(shè)計的場合。

• 環(huán)天線（Loop Antenna）：環(huán)天線的尺寸和形狀會影響其工作頻率和帶寬，其傾向于在垂直于環(huán)平面的方向上發(fā)送或接收信號，這在某些通信場景中是很有利的。

• 微帶貼片天線（Patch Antenna）：具有較高的方向性和增益，適合需要定向輻射的應(yīng)用。

倒F天線的演變

1. 單極子天線（Monopole Antenna）

單極子天線是最基本的天線類型之一，由一根直立的金屬棒構(gòu)成，下端連接到饋線和接地平面。單極子天線的長度通常是工作波長的四分之一，以實現(xiàn)最佳輻射效率。然而，這種天線的尺寸往往較大，不適合空間受限的現(xiàn)代移動設(shè)備。

2. 倒L天線（Inverted-L Antenna）

為了解決單極子天線尺寸過大的問題，倒L天線應(yīng)運而生。它形似字母"L"的倒置，能夠在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)與單極子天線相似的性能，同時保持良好的輻射效率。這種設(shè)計通過降低天線的整體高度，使其更適合作為移動通信設(shè)備中的內(nèi)置天線。

3. 倒F天線（Inverted-F Antenna，IFA）

倒F天線進(jìn)一步優(yōu)化了倒L天線的設(shè)計，以實現(xiàn)更緊湊的尺寸。IFA天線在倒L天線的基礎(chǔ)上，增加了一條連接到地的短路臂，形似倒置的字母"F"。在倒F天線中，新增短路臂這一設(shè)計相當(dāng)于在原有的倒L天線基礎(chǔ)上并聯(lián)了一個電感。電感的存在改變了天線的阻抗特性，通過調(diào)整這個電感的大小（即短路臂的長度和位置），可以有效地控制天線的諧振頻率，同時在無額外電路元件的情況下，也可以進(jìn)一步優(yōu)化天線的阻抗匹配。

4. 蛇形倒F天線（Meander Inverted-F Antenna）

隨著對更小尺寸和更寬頻帶天線需求的增加，蛇形倒F天線的概念被提出。蛇形天線通過將天線臂設(shè)計成曲折的蛇形結(jié)構(gòu)，可以在有限的空間內(nèi)增加天線的有效電長度，從而實現(xiàn)與較長直立天線相當(dāng)?shù)男阅堋．?dāng)這種設(shè)計理念應(yīng)用于IFA天線時，蛇形倒F天線就誕生了。它結(jié)合了IFA天線的緊湊性和蛇形天線的尺寸優(yōu)化特性，不僅保持了良好的輻射效率，還在體積上進(jìn)一步縮小，特別適合集成到空間極為受限的現(xiàn)代電子設(shè)備中。

從單極子天線，倒L天線，再到倒F天線，蛇形倒F天線，這一系列演變體現(xiàn)了天線設(shè)計在應(yīng)對不斷變化的技術(shù)需求時的創(chuàng)新與進(jìn)步。這些天線類型的發(fā)展，不僅推動了無線通信技術(shù)的前進(jìn)，也為現(xiàn)代電子設(shè)備的微型化和多功能化做出了重要貢獻(xiàn)。

蛇形倒F天線HFSS仿真

設(shè)計PCB板載天線時，工程師通常使用電磁仿真軟件來優(yōu)化天線的性能，預(yù)測其在實際環(huán)境中的行為。這包括分析天線的增益、效率、輻射方向圖和阻抗帶寬等，確保天線在特定的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。

本次仿真實例要求：1.6mm的FR4板材，PCB尺寸40mm*65mm，天線布局凈空：40mm*15mm，工作頻段2.4GHz~2.5GHz，S11<-10dB。

建模

在高速射頻線路設(shè)計中,PCB饋線往往采用CPW（‌Coplanar Waveguide）‌，‌也稱為共面波導(dǎo)傳輸線結(jié)構(gòu)，由中央的信號饋線和兩側(cè)的接地平面構(gòu)成。‌這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于射頻電路、‌射頻信號線和微波信號線。‌如下圖所示是一個CPWG（‌Coplanar Waveguide with Ground Plane）‌結(jié)構(gòu)示意圖。

因此我們首先根據(jù)設(shè)計要求計算50歐姆對應(yīng)的CPWG饋線寬度（選取GSG之間的間隙為0.2mm）：1.1mm

首先我們畫取一小段饋線，以及一個集總端口面，并在周圍打上一圈接地孔。為了減少網(wǎng)格剖分，提升仿真速度，圓柱體的Number of segments設(shè)置為4。

然后用line繪制輻射臂和短路臂的1D路徑，最后可以在CreatePolyline里將line變成實體box。饋線、輻射臂、短路臂都設(shè)置為copper或者pec材料。

邊界條件

點擊Draw Region，選擇Absolute Offset，填入2GHz的1/4波長，并將Region設(shè)置為Radiation邊界條件。

激勵設(shè)置

Pick端口面，設(shè)定為50Ω集總端口激勵。

仿真結(jié)果

設(shè)置求解頻率為2.4GHz，fast掃頻范圍為2~3GHz。因為設(shè)置的參量并不能保證諧振頻率正好落在帶內(nèi)。因此，我們可以將求解頻率范圍擴(kuò)大一些。根據(jù)仿真結(jié)果來決定是否加長/減少彎折枝節(jié)及其彎折長度、間隙。

當(dāng)我們拓寬求解頻段為1~4GHz時，發(fā)現(xiàn)天線長度過長，諧振頻率低到了1.3GHz。因此，我們可以縮短彎折間隙或者降低天線離地面的高度等操作來修正諧振頻率。

性能優(yōu)化

手動修正頻偏有時候太費時間了，我們可以在hfss中設(shè)置optimization，晚上開啟HPC多線程跑起來，早上看結(jié)果！在設(shè)置optimization前需要先勾選將待優(yōu)化的設(shè)計變量，并確定每個變量的優(yōu)化范圍。

這里將2.45GHz的S11(dB)設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)。因為仿真模型比較簡單，因此HFSS優(yōu)化器的迭代優(yōu)化過程比較快，優(yōu)化的結(jié)果如下所示：

工程設(shè)計的時候，實物測試和仿真往往由一定頻偏。這時候，可以考慮在天線饋線處放置一個π型匹配網(wǎng)絡(luò)便于后期的阻抗匹配。不需要的并聯(lián)位和串聯(lián)位可分別NC或者串聯(lián)一個0R電阻。

思考(ˇ?ˇ)

用于無線通信中的板載天線，其正向傳輸方向的增益對系統(tǒng)的最大通信距離影響比較大。因此，只是簡單地調(diào)試S11并不能有效地增大其通信裕量。因此，針對不同板型和電磁環(huán)境的PCB板載天線，需要結(jié)合實際通信指標(biāo)進(jìn)行電磁仿真，從而綜合出較優(yōu)的天線形狀。

可以嘗試定性分析不同尺寸的地板、不同類型的天線可能對最大通信距離產(chǎn)生的影響。

作者：微波天線工程師