詳解蛇形天線設(shè)計及工作原理

前言：蛇形天線相信大部分朋友看到的最為廣泛一種天線結(jié)構(gòu)，主要用在藍(lán)牙、wifi、zigbee等領(lǐng)域。

一、蛇形天線原理

之前有很多朋友問過我蛇形天線如何設(shè)計，比如：蛇形天線的彎折有沒有什么講究，彎折多少次合適等，其實，如果朋友們有這樣的疑問，那就說明大家對蛇形天線的認(rèn)識進(jìn)入了一個誤區(qū)，為什么這么說，因為蛇形天線本身并沒有所謂“彎折規(guī)則”之類的說法，換句話說，蛇形天線的彎折都是隨性的，根據(jù)每個項目的具體需要來決定，蛇形彎折有一種專業(yè)術(shù)語叫做“曲流技術(shù)”，相信很多朋友都聽說過，它的目的就是使天線小型化。

圖1蛇形天線電流方向分析

因此，在實際項目設(shè)計中，蛇形天線的彎折是隨意的，滿足設(shè)計要求即可，無須在意彎折多少次，或者怎么彎折。但是需要說明的是，蛇形天線的彎折也是有一定講究的，尤其對增益有較高要求時，對彎折段的長度就要有所考量，如下圖所示：

圖中，紅色箭頭表示天線表面電流的方向，在圖中可以看出，蛇形天線相鄰的兩垂直段的電流方向相反，我們做一個假設(shè)，假如天線是理想導(dǎo)體，當(dāng)垂直段無限靠近時，則垂直段上的電流將被抵消歸零，那么整個天線上的電流強(qiáng)度將會嚴(yán)重削弱，而了解電磁場原理的朋友都知道，電磁波是由電流產(chǎn)生的，當(dāng)電流變?nèi)跻院?，相?yīng)的電磁波也會變?nèi)酰炀€的原理則是將功率信號轉(zhuǎn)化為電磁波，因此，可以認(rèn)為天線的表面電流直接決定了天線增益的大小。從而可以得出結(jié)論，蛇形天線的垂直段間距越小，則增益越差。

因此在設(shè)計蛇形天線時，需要考慮彎折對天線增益所造成的影響，雖然縮減垂直段間距可以進(jìn)一步實現(xiàn)天線小型化，但這是以犧牲增益作為代價的，朋友們在設(shè)計時需要綜合考慮各項指標(biāo)，做出合理的設(shè)計。

二、蛇形天線類別

當(dāng)前常見的蛇形天線主要有以下幾種，我將其命名為A,B,C,D四類，如圖：

圖2 A類蛇形結(jié)構(gòu)

圖3 B類蛇形結(jié)構(gòu)

圖4 C類蛇形結(jié)構(gòu)

圖5 D類蛇形結(jié)構(gòu)

四類蛇形結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，使用環(huán)境也會略有差異：

A類蛇形線是有傳統(tǒng)的倒L天線經(jīng)過彎折變化而來，主要目的是小型化。A類結(jié)構(gòu)由于自身沒有接地支路，因此設(shè)計中不容易調(diào)整天線的輸入阻抗，從而A類結(jié)構(gòu)的回?fù)軗p耗S11相對較差。

B類，這類天線是A類結(jié)構(gòu)改造而來，通過增加一個短路支路，從而使得天線可以自由調(diào)整天線的輸入阻抗，只需要調(diào)整短路支路的長度即可調(diào)節(jié)天線的S11指標(biāo)。

C類，其結(jié)構(gòu)與A類類似，只是該類天線適用于射頻收發(fā)機(jī)饋線在電路板居中位置的情況，其缺點(diǎn)和A類相似，不能通過天線自身來調(diào)整輸入阻抗，因此匹配線較差。但是設(shè)計者可以在饋點(diǎn)上方自己增加一路短路枝節(jié)即可用以調(diào)整天線的輸入阻抗，這種調(diào)整方法不再單獨(dú)畫出。

D類，其結(jié)構(gòu)源自蛇形倒F天線，集成了IFA結(jié)構(gòu)的一切優(yōu)點(diǎn)，主要區(qū)別就是將諧振枝節(jié)進(jìn)行了彎折處理，從而實現(xiàn)天線的小型化，唯一缺點(diǎn)是增益要低于IFA天線。

現(xiàn)在我們以B類結(jié)構(gòu)為例，來簡單的設(shè)計一個2.45GHz的B類天線結(jié)構(gòu)模型，其初始尺寸的設(shè)計方法和IFA天線類似，通過頻率和光速的關(guān)系即可求解，而天線每一段的彎折情況及個段的結(jié)構(gòu)我定義如下：

圖6天線初始尺寸設(shè)置

HFSS模型建立要注意，由于本文所設(shè)計的為單極子天線，因此設(shè)計中要充分考慮地平面對天線的影響，地平面需要有足夠大的面積，以使得天線能夠獲得較好鏡像，實現(xiàn)輻射，模型如下：

圖7 HFSS模型

回波損耗S11仿真：

圖8 S11仿真結(jié)果

從仿真圖中可以看出，S11的仿真結(jié)構(gòu)是比較好的，完全可以達(dá)到2.45GHz的工作頻段和帶寬要求。

可能有的朋友會有疑問，因為有些朋友是天線的初學(xué)者或者經(jīng)驗不足，可能設(shè)置初始尺寸時經(jīng)驗不足，從而導(dǎo)致初始尺寸的仿真結(jié)構(gòu)較差，比如工作頻點(diǎn)與預(yù)期的偏差較大，S11太大等等，這些情況都是存在的?，F(xiàn)在我們就來分析下出現(xiàn)這類情況的時候我們應(yīng)該怎么來解決。

(1)工作頻點(diǎn)調(diào)整

天線的諧振頻段是由天線的有效電流路徑長度決定的，因此要調(diào)整工作頻段，就要考慮從天線的物理長度入手。

通常，我們設(shè)計中需要在蛇形天線的末端預(yù)留一段用變量表示的枝節(jié)，如圖6中最右端所標(biāo)示長度為L的枝節(jié)，做優(yōu)化時，只需要簡單的改變此段長度即可，例如，我現(xiàn)在在剛剛建立的模型上做一個示例，令L分別等于1.5mm，2mm，2.5mm和3mm時，來求解其對應(yīng)的工作頻段，求解結(jié)果如下：

圖9 L的長度對諧振頻點(diǎn)的影響

從圖中看到，L變化時，天線的諧振頻點(diǎn)也會產(chǎn)生非常明顯的變化，隨著L減小，天線的諧振頻率隨之下降。

(2) S11改善

S11的決定因素是天線的輸入阻抗，通常，單極子天線默認(rèn)的輸入阻抗為50歐姆，當(dāng)所設(shè)計的天線輸入阻抗無限接近50歐姆時，則S11將逼近無限小，反之，當(dāng)輸入阻抗偏離50歐姆時，則S11將變差，換句話說，輸入阻抗偏離50歐姆越大，則S11越差。對于本文中所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)，如圖6所示的L2短路枝節(jié)，可以通過調(diào)整L2的長度來改變天線在2.45GHz頻段上的輸入阻抗大小，進(jìn)而調(diào)整S11參數(shù)。我現(xiàn)在在模型上做一個示例，令L2分別等于4mm，4.5mm，5mm，5.5mm和6mm，來看其對應(yīng)的S11的值，仿真結(jié)果如下：

圖10短路枝節(jié)L2對S11的影響

從中看出，L2長度發(fā)生變化時，天線的諧振頻率幾乎保持不變，但是S11卻有非常明顯的變化，隨著L2長度增加，S11逐漸變好。因此實際設(shè)計中，可以通過調(diào)整短路枝節(jié)來改善S11參數(shù)。

蛇形天線的結(jié)構(gòu)多種多樣，各位朋友一定要打開思路，嘗試不同的彎折方式，將會收獲意想不到的結(jié)果。

三、蛇形天線設(shè)計

下面設(shè)計了一款D類蛇形結(jié)構(gòu)天線，其結(jié)構(gòu)源自蛇形倒F天線，集成了IFA結(jié)構(gòu)的一切優(yōu)點(diǎn)，主要區(qū)別就是將諧振枝節(jié)進(jìn)行了彎折處理，從而實現(xiàn)天線的小型化，唯一缺點(diǎn)是增益要低于IFA天線。