小環(huán)形天線：仿真和應(yīng)用理論

用于遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE） 應(yīng)用的小孔徑 UHF 天線可以在密鑰卡內(nèi)端接為短路或開(kāi)環(huán)。根據(jù)環(huán)路的端接方式，其遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖和天線的特性阻抗將受到影響。

在本應(yīng)用筆記中，我們將使用易于使用的天線模擬器EZNEC探討天線理論和設(shè)計(jì)。我們將通過(guò)我們的應(yīng)用板測(cè)量天線的特性阻抗。結(jié)果將顯示開(kāi)環(huán)和短路之間的權(quán)衡、接地的影響以及天線匹配的考慮因素。所有這些信息都是本應(yīng)用筆記第二部分所述測(cè)量的前言。

1. 天線環(huán)境

由于封裝要求微小，遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE） 天線的電氣長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，為 300MHz 至 400MHz。理想情況下，簡(jiǎn)單高效的RKE天線是1/2波偶極子或1/4波長(zhǎng)單極子，其相關(guān)接地平面鏡像輻射元件。然而，這種理想的配置會(huì)占用籃球的空間，因此對(duì)于在用戶手指之間激活的微小遙控鑰匙是不切實(shí)際的。由于為了滿足密鑰卡的封裝要求而縮短了輻射元件，效率和阻抗變得很差且難以管理。由于輻射效率降低，這種受限配置很容易導(dǎo)致天線損耗，再加上組件匹配損耗約為-14dB1。根據(jù)定義，諧波的波長(zhǎng)將短1/n，因此隨著諧波階數(shù)的增加，天線輻射效率會(huì)變得更好。根據(jù) FCC 法規(guī)第 15.231 部分，排放以場(chǎng)強(qiáng)來(lái)衡量。因此，小天線孔徑會(huì)導(dǎo)致與所需相反的結(jié)果。

FCC 合規(guī)性測(cè)試通常涉及 FCC 直接或 FCC 接受的實(shí)驗(yàn)室在具有商定標(biāo)準(zhǔn)的受控環(huán)境中執(zhí)行詳盡的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量。通常這些測(cè)試是在木桌上進(jìn)行的，以支撐發(fā)射器;沒(méi)有考慮持有FOB的人的場(chǎng)相互作用或場(chǎng)的地面效應(yīng)。許多測(cè)試機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行3D測(cè)量，只關(guān)注最壞的情況，即干擾直射光線的反射地面回波。但實(shí)際上，接地不僅會(huì)干擾測(cè)量天線，還會(huì)顯著影響發(fā)射器方向圖本身。天線測(cè)試通過(guò)測(cè)量空間中的峰值瓣并測(cè)量天線周圍的 360 度場(chǎng)方向圖來(lái)考慮這些地面效應(yīng)。

以合理的成本向公眾提供的廉價(jià)但功能強(qiáng)大的天線模擬器可以解釋地面效應(yīng)，但通常不能解釋與保持密鑰卡相關(guān)的有損電介質(zhì)的影響。模擬器的工作原理是將元素劃分為理論電流，然后通過(guò)一種稱為“矩法”的技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)中的結(jié)果求和。即使是最簡(jiǎn)單的天線，模擬器的任務(wù)也非常困難;通常沒(méi)有封閉式模型，因此它依賴于來(lái)自測(cè)量數(shù)據(jù)的查找表。對(duì)于精確的天線仿真，很大程度上取決于在每個(gè)計(jì)算段內(nèi)具有數(shù)學(xué)電流梯度。

EZNEC是一個(gè)簡(jiǎn)單的業(yè)余愛(ài)好者級(jí)，廉價(jià)的天線軟件，具有NEC2內(nèi)核，允許用戶對(duì)微小的天線進(jìn)行建模，并在遠(yuǎn)場(chǎng)中給出有趣的結(jié)果。EZNEC的結(jié)果既有用，又非常有助于了解實(shí)際發(fā)生的情況。NEC 還將計(jì)算天線阻抗。然而，對(duì)于小天線孔徑，負(fù)電阻結(jié)果是常見(jiàn)的，并且是由條件不佳的矩陣數(shù)學(xué)引起的仿真錯(cuò)誤的警報(bào)。 NEC非常適合偶極子和單極子，因?yàn)樗褂脺y(cè)量模型中的查找表來(lái)計(jì)算結(jié)果。NEC的內(nèi)部數(shù)學(xué)精度不是那么高，因此矩陣乘法可能會(huì)在小環(huán)路設(shè)計(jì)中傳播誤差。另一個(gè)建模程序EIGER可能更適合小天線孔徑，但不適用于公眾。

在考慮了哪些軟件可用且價(jià)格低廉之后，我們探索了EZNEC的開(kāi)路和短路天線環(huán)路的遠(yuǎn)場(chǎng)仿真結(jié)果。我們使用安捷倫 8753D 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻抗。雖然仿真結(jié)果看起來(lái)是確鑿的，但它們只能指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員了解在天線范圍內(nèi)可以測(cè)量的內(nèi)容以及將設(shè)備與天線匹配時(shí)的期望。有關(guān)各種NEC版本的信息及其使用的詳細(xì)提示，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)最新技術(shù)。

EZNEC可從Nittany Scientific2獲得，更高級(jí)的版本（NEC-4）可通過(guò)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室IPAC服務(wù)3提供給美國(guó)公民。還有商業(yè)高端模擬器，如安軟。另一個(gè)可能的模擬器是WIPL-D4來(lái)自南斯拉夫的代碼，因?yàn)樗梢栽诘孛嫔夏M板和條帶。雖然我們還沒(méi)有探索 WIPL-D 工具，但它在美國(guó)的價(jià)格約為 400 美元。

這些天線模擬器功能強(qiáng)大且價(jià)格合理。雖然功能強(qiáng)大，但這些模擬器通常適用于大型天線結(jié)構(gòu)，如偶極子、長(zhǎng)線和 Yaggi 等，在典型的戶外環(huán)境中。對(duì)于介質(zhì)上的微型或印刷天線，建模非常有限;即使是最新的高級(jí)模擬器，如NEC-4或EIGER5，可通過(guò)政府機(jī)構(gòu)獲得，在帶有接地層的電介質(zhì)上遇到微小的環(huán)路，就像您在小型RKE型設(shè)備中通常會(huì)發(fā)現(xiàn)的那樣。由于這些后一種應(yīng)用很容易超出模擬器的功能，因此直接測(cè)量天線的結(jié)果是驗(yàn)證性能的唯一真實(shí)方法。

2. 馬克西姆天線實(shí)驗(yàn)

制造并測(cè)量了具有典型印刷環(huán)配置的FR4板，該板從遙控鑰匙延伸出來(lái)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，天線可能有點(diǎn)大，但它有助于了解其阻抗和EZNEC仿真發(fā)生的情況。

圖1.馬克西姆天線板。

為了校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，電路板上包含一系列校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（開(kāi)路、短路和50Ω），用于1端口S測(cè)量。雖然這些校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不包括出廠校準(zhǔn)套件的系數(shù)，但它們?cè)?00MHz時(shí)工作得很好，只需要一個(gè)端口擴(kuò)展即可將參考點(diǎn)放置在天線的饋電點(diǎn)。參見(jiàn)圖1。

天線配置為兩種方案：

另一端在 A 處短路

另一端在 A 處打開(kāi)

如圖所示，S11 中的測(cè)量是在天線懸掛的情況下進(jìn)行的;記錄了其阻抗。該板還在EZNEC中建模，以估計(jì)天線的場(chǎng)方向圖。本應(yīng)用筆記3622“小

回路仿真與應(yīng)用理論第2部分 - 現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試”的后半部分將探討基于在加利福尼亞州桑尼維爾Elliot實(shí)驗(yàn)室外部測(cè)試范圍內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證實(shí)際場(chǎng)模式。

圖2所示為在EZNEC中建模的Maxim電路板。懸掛在元件1，2，3，4...8上方的洋紅色線顯示了相對(duì)RF電流。

圖2.在 EZNEC 中使用有限元對(duì) 1in x 1in 天線環(huán)路進(jìn)行建模。

2.1. 方法論討論

對(duì)于小回路，能量將尋求共振以滿足場(chǎng)邊界條件。使用同軸電纜驅(qū)動(dòng)被測(cè)器件（DUT）的問(wèn)題在于屏蔽的孔徑大于被測(cè)的實(shí)際有源元件。環(huán)路將通過(guò)環(huán)路的接地回路有效地激勵(lì)同軸電纜的屏蔽，就像RF通過(guò)Yaggi天線上的beta匹配耦合一樣。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們?cè)跍y(cè)量S11時(shí)發(fā)現(xiàn)了尖銳的共振，圖3在R處。雖然尖銳，但諧振足夠弱，可以通過(guò)將同軸電纜擠壓到遠(yuǎn)離天線的距離而不改變S11到所需的測(cè)量頻率來(lái)消除。鐵氧體磁珠（有些人稱這些為“祈禱珠”）或同軸電纜上的電流巴倫也可以完成同樣的事情。

圖3.同軸屏蔽引起的共振。

雖然同軸電纜接地共振的影響在我們的工作頻率下沒(méi)有顯著影響S11，但接地層上激發(fā)的電流確實(shí)扭曲了測(cè)量的場(chǎng)模式。一種更困難但可能更準(zhǔn)確的方法是通過(guò)改變L-C匹配，然后測(cè)量網(wǎng)絡(luò)以確定阻抗來(lái)優(yōu)化Tx IC傳遞到天線的RF功率。

圖4.相關(guān) S-par 測(cè)量期間的夾具和 EZNEC 模型。

由于環(huán)路將激勵(lì)接地層中的電流，因此還使用EZNEC將同軸電纜在遠(yuǎn)場(chǎng)中引起的誤差與環(huán)路作為空間中獨(dú)立元件的理想情況進(jìn)行比較。結(jié)果如圖 5 所示。

圖5.將建模的同軸效應(yīng)與遠(yuǎn)場(chǎng)（短路循環(huán)）進(jìn)行比較。

正如人們所期望的那樣，遠(yuǎn)場(chǎng)模式在同軸電纜的方向上得到了有效的拉動(dòng)。一個(gè)奇怪的效應(yīng)是Z軸上的磁場(chǎng)變化，可能是由于改變了散熱器在地面上的平均高度以及來(lái)自同軸電纜本身的能量耦合。在沒(méi)有同軸電纜的情況下，電路接地層上的場(chǎng)方向圖更加對(duì)稱。

3. 自由空間與實(shí)際應(yīng)用

一個(gè)令人驚訝的仿真結(jié)果是，圖5中短路和開(kāi)路端接沿Z軸的凸瓣非常強(qiáng)。由于環(huán)路很小且電流均勻，因此可能會(huì)產(chǎn)生接近各向同性的場(chǎng)型（圖6）或有源元件物理實(shí)現(xiàn)的輕微失真，如圖7所示。

圖6.忽略了同軸電纜在自由空間中的作用。

在自由空間模型中，我們看到了同軸電纜的影響以及地面可以反射的-Z方向上的大量能量。由于同軸屏蔽比天線元件長(zhǎng)，因此它將像長(zhǎng)隨機(jī)線天線一樣為遠(yuǎn)場(chǎng)做出貢獻(xiàn)。

圖7.同軸電纜在自由空間（短路回路）中的影響。

在我們的模型中，同軸屏蔽元件被任意固定在19英寸，在1MHz時(shí)略大于2/315λ，在3MHz時(shí)約為4/433λ。考慮到屏蔽作為波長(zhǎng)的函數(shù)充當(dāng)單極子，隨著長(zhǎng)度的增加，場(chǎng)在方向上與其軸垂直度更高，直到5/8λ（0.625λ）。超過(guò)5/8λ，主瓣下方的新瓣開(kāi)始形成，從而將主瓣送上天空。隨著元件的延長(zhǎng)，導(dǎo)致天線軸仰角的交替波瓣和零點(diǎn)。圖8顯示了這些波瓣和零點(diǎn)與環(huán)路入射波結(jié)合時(shí)如何在遠(yuǎn)場(chǎng)中合并，以及315MHz和433MHz之間產(chǎn)生的失真。

圖8.垂直單極高程場(chǎng)方向圖作為波長(zhǎng)的函數(shù)。

雖然上述結(jié)果在自由空間中是正確的，但地面的影響也是一個(gè)不容忽視的重要因素。來(lái)自地面的反射對(duì)入射波具有建設(shè)性和破壞性的影響，導(dǎo)致向天空變化的波瓣。Z軸波瓣在315MHz和433MHz之間的差異與其說(shuō)是天線沿Z軸的方向性的結(jié)果，不如說(shuō)是入射的加相和由于對(duì)地波長(zhǎng)差異而導(dǎo)致的反射信號(hào)的結(jié)果。在前面的示例中，對(duì) EZNEC 進(jìn)行了建模，使其理想地面高于 X-Y 平面 36 英寸（圖 9），這是使用時(shí)密鑰卡的典型高度。如果天線與地面的距離發(fā)生變化，則中心的波瓣可以預(yù)見(jiàn)地在離地面每 1/4 λ 時(shí)通過(guò)最大值和最小值。

圖9.地面上的建模環(huán)路。

由于反射波的強(qiáng)度遵循 1/r4，反射波最終對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)中減少 1/r2 的入射貢獻(xiàn)不大。對(duì)于實(shí)際的RKE應(yīng)用，EZNEC預(yù)測(cè)接地仍將對(duì)天線的場(chǎng)方向圖產(chǎn)生重大影響。數(shù)據(jù)如圖 10 所示。

圖 10.天線離地面高度的影響，λ = 35.65英寸。

4. 短路與開(kāi)環(huán)

天線應(yīng)該有短路還是開(kāi)環(huán)？設(shè)計(jì)人員面臨這個(gè)問(wèn)題要么是為了找到更容易的匹配結(jié)果，要么是為了以某種方式提高天線效率。天線通?？梢宰鳛閮身?xiàng)任務(wù)來(lái)處理：首先，選擇所需輻射的孔徑，然后將其與發(fā)生器匹配。有時(shí)，當(dāng)以不同的方式端接時(shí)，相同的孔徑可以被視為相同，但對(duì)于短路或開(kāi)環(huán)，天線場(chǎng)方向圖的實(shí)際結(jié)果可能大不相同，具體取決于電流的分布方式。參見(jiàn)圖 11。

圖 11.比較天線電流。

在小于1/4波長(zhǎng)的短路環(huán)路情況下，邊界條件將位于接地點(diǎn)，迫使峰值電流通過(guò)整個(gè)環(huán)路。電流將從第1段到第4段緩慢地改變相位。在開(kāi)環(huán)的情況下，路徑中斷導(dǎo)致間隙處沒(méi)有電流，并且逐漸變大的電流向饋電點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)前階段將從第 3 段和第 4 段的中斷開(kāi)始，但也將繼續(xù)通過(guò)第 2 段和第 1 段。在任何一種情況下，每個(gè)段都會(huì)從每個(gè)段中的電流輻射出有限的能量。根據(jù)段的位置和流過(guò)的電流的相位，所有元素的矢量和決定了遠(yuǎn)場(chǎng)中的場(chǎng)模式。

雖然單個(gè)開(kāi)放式元件非常有效地輻射場(chǎng)，但實(shí)際上它是一個(gè)單極子，由地面鏡像，完成空間電路。對(duì)于激勵(lì)開(kāi)環(huán)的小遙控鑰匙，幾乎沒(méi)有接地元件。因此，可用的PCB接地成為天線的一部分。

在比較開(kāi)路和短路環(huán)時(shí)，最大的區(qū)別是饋電阻抗，因?yàn)槎私邮菑氖访芩箞D的兩端開(kāi)始的（圖 12）。如果連接到天線的有源元件不是無(wú)條件穩(wěn)定的，阻抗的這種變化可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性問(wèn)題。Maxim RKE變送器器件無(wú)條件穩(wěn)定。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榭拷炀€的任何東西，如金屬或拇指，都會(huì)影響天線的阻抗，從而導(dǎo)致設(shè)備振蕩。

圖 12.開(kāi)路和短路回路和穩(wěn)定環(huán)的啟動(dòng)阻抗。

4.1. 短路循環(huán)案例

攜帶交流電的環(huán)路或線圈將產(chǎn)生垂直于環(huán)路平面的交流磁場(chǎng)。這同樣適用于短回路的 UHF。但是，如果環(huán)路在電上很長(zhǎng)，則圍繞環(huán)路傳播的RF電流的相位將相當(dāng)于一串由前一個(gè)元件同相移動(dòng)的分立天線（圖13）。

圖 13.等效多個(gè)偶極子用于長(zhǎng)環(huán)路。

這些有效天線中的每一個(gè)都將開(kāi)始干擾或貢獻(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)，從而產(chǎn)生圖14和15所示的模式。對(duì)于小于 1/2 波長(zhǎng)的環(huán)周，電流相對(duì)恒定，因此遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度沿 X 軸定向。在圖 14 和圖 15 中，我們?cè)?X-Z 平面上保持了 1in x 1in 方形環(huán)的相同機(jī)械尺寸，并提高了激勵(lì)頻率。這種方法完成了兩件事。首先，它顯示了波長(zhǎng)與固定的1英寸方環(huán)之間的關(guān)系，其次，它顯示了較短波長(zhǎng)諧波的影響。

圖 14.自由空間中電

短

回路的 X-Y 遠(yuǎn)場(chǎng)模式。

當(dāng)環(huán)路變長(zhǎng)或直到與每條支腿存在離散相位關(guān)系時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)最大值將沿X軸保持。要滿足的第一個(gè)對(duì)稱邊界條件是環(huán)路周圍的路徑為 180 度，也與天線饋電點(diǎn)的 180 相位差相匹配。結(jié)果就像一個(gè)垂直半波偶極子站在Z軸上，如下圖1中的4.15GHz所示。

圖 15.自由空間中電長(zhǎng)環(huán)路的 X-Y 遠(yuǎn)場(chǎng)模式。

超過(guò)1/2波長(zhǎng)（1.4GHz），隨著環(huán)路長(zhǎng)度的增加，單環(huán)路將有效地具有更大的電流相移。由于環(huán)路的每一側(cè)在空間中占據(jù)一個(gè)不同的點(diǎn)，該點(diǎn)相對(duì)于其波長(zhǎng)彼此間隔很大，因此遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果將如圖15所示進(jìn)行。

圖 16.環(huán)路的不對(duì)稱饋送點(diǎn)。

圖 14 和圖 15 說(shuō)明了幾個(gè)要點(diǎn)。這些圖中的所有仿真都使用了圖16中的模型，因?yàn)镻CB上的環(huán)路可能不是完全對(duì)稱的。圖 16 的模型也更接近圖 4 中測(cè)試夾具中發(fā)生的情況。使用饋電點(diǎn)略微偏移的模型表明，對(duì)于電短環(huán)路，饋電點(diǎn)的位置不太重要，因?yàn)榄h(huán)路內(nèi)的相對(duì)相移微不足道。然而，由于波長(zhǎng)較短，環(huán)路的電學(xué)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，電流偏移的相位對(duì)物理模型變得更加重要，從而影響遠(yuǎn)場(chǎng)（注意圖17中的洋紅色電流線）。

如果圖 16（非對(duì)稱饋電環(huán)路）中的饋電點(diǎn)與圖 17（對(duì)稱饋電環(huán)路）相同，則高于 1 λ 的場(chǎng)模式將是完全對(duì)稱的......在某些軸上。

圖 17.增益和方向效應(yīng)，因?yàn)榄h(huán)路變成電長(zhǎng)自由空間。

如果環(huán)路對(duì)于基波來(lái)說(shuō)很短，那么它的諧波就會(huì)變長(zhǎng)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵絹?lái)越清楚的是，諧波如何導(dǎo)致比基波更強(qiáng)的不可預(yù)測(cè)場(chǎng)，包括極化變化。圖 17 中的示例還說(shuō)明，當(dāng)我們研究 X-Y 平面時(shí)，具有高階諧波可以在第三維中產(chǎn)生最大值，在本例中在 X-Z 平面中向天空移動(dòng)。這種效果應(yīng)該不足為奇，因?yàn)樘炀€也類似于經(jīng)典的菱形天線，其指令模式將與饋電點(diǎn)相反。

4.1.1. 短路環(huán)，3D，基本面遠(yuǎn)場(chǎng)

圖 18.短路環(huán)遠(yuǎn)場(chǎng)仿真，無(wú)需PCB接地層。

圖18顯示了忽略圖1所示夾具PCB接地層的小環(huán)路的仿真結(jié)果。這種情況與實(shí)際密鑰卡中的條件非常相似，因?yàn)檫@種接地層不適用于小型封裝。通過(guò)仔細(xì)比較自由空間信號(hào)和地面信號(hào)之間的差異，并注意Z軸在315MHz和433MHz下的差異，很明顯，如前所述，這些影響與地面有關(guān)。自由空間模型中的酒窩也可以與圖 15 中沿 Y 軸的最小值相關(guān)聯(lián)。

當(dāng)考慮接地層效應(yīng)時(shí)，如圖4中的測(cè)試夾具，您會(huì)發(fā)現(xiàn)一些電流被拉入接地層，從而對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生影響。這里的天線在某種程度上是環(huán)路和偶極子的混合體，因?yàn)樵谠?4 處沿地面邊緣有電流。其中一些接地電流將在接地層中感應(yīng)，就像自耦變壓器一樣。雖然電流明顯小于環(huán)路中的電流，但接地的孔徑面積要大得多。結(jié)果是有效高度的變化，因?yàn)樘炀€的有效中心已經(jīng)降低，導(dǎo)致沿Z軸的波瓣在315MHz和433MHz之間變化。

圖 19.采用PCB接地層的短路環(huán)遠(yuǎn)場(chǎng)仿真。

4.1.2. 短路回路情況的測(cè)量阻抗

通過(guò)短路環(huán)路，電流將均勻地完成環(huán)路周圍的電路，直至其接地端接。在這種情況下，沒(méi)有物理邊界強(qiáng)制電流為零。虛擬接地是電流也可以為非零的接地。圖20顯示，在環(huán)路僅占其波長(zhǎng)的一小部分的情況下，電流分布幾乎保持恒定、電感和極低的阻抗。

圖 20.短路回路上的均勻電流。

從電路連接到接地點(diǎn)的任何東西都可能看起來(lái)阻抗高得多，因?yàn)樗芟褚粋€(gè)非常短的開(kāi)路短截線。結(jié)果是大部分耦合將以磁性方式通過(guò)環(huán)路;電路接地對(duì)有源電路的影響可能很小，因?yàn)榈厣蠋缀鯖](méi)有電流（見(jiàn)圖21和表1）。

圖 21.測(cè)量短路環(huán)的翼梁。

表 1.300MHz和400MHz頻段短路環(huán)路的測(cè)量晶石

4.2. 開(kāi)環(huán)案例

在開(kāi)環(huán)情況下，任何暴露的主要元件都將成為天線，包括同軸屏蔽。當(dāng)測(cè)量短單極天線時(shí)，天線必須“看到”某種天線終端，以完成空間電路并允許天線工作。如果沒(méi)有定義接地終端，則天線電流將找到接地以完成電路以釋放空間的東西。因此，接地層和接觸它的任何東西在開(kāi)環(huán)情況下起著更大的作用——它們成為天線的一部分。在從動(dòng)元件的孔徑非常小而接地層很大的情況下，接地層實(shí)際上可能是天線最有效的元件。請(qǐng)參見(jiàn)圖 22。

圖 22.同軸效應(yīng)對(duì)開(kāi)路和短路回路的電流分布產(chǎn)生影響。

圖 23.將開(kāi)環(huán)和短路環(huán)之間的感應(yīng)同軸接地電流與各自的遠(yuǎn)場(chǎng)仿真進(jìn)行比較。

與閉環(huán)的情況不同，在開(kāi)環(huán)中，天線饋電電流彼此遠(yuǎn)離。因此，開(kāi)環(huán)類似于具有接地層的垂直元件。參見(jiàn)圖 23。這也相當(dāng)于圖24所示的偶極子，因?yàn)轫敳吭⒈唤拥貙隅R像。

圖 24.開(kāi)環(huán)的等效模型。

由于偶極子很短，預(yù)期效率會(huì)很低;然而，遠(yuǎn)場(chǎng)模式仍然類似于自由空間中的經(jīng)典甜甜圈形狀。EZNEC還預(yù)測(cè)，開(kāi)環(huán)將表現(xiàn)出類似于經(jīng)典偶極子的場(chǎng)模式。圖25顯示了這一點(diǎn)，以及地面反射的相互作用。

圖 25.開(kāi)環(huán)遠(yuǎn)場(chǎng)仿真，無(wú)需PCB接地層。

如果我們像在夾具中那樣擴(kuò)展接地，我們預(yù)計(jì)遠(yuǎn)場(chǎng)模式只會(huì)略有變化，因?yàn)槲覀冇行У赜?-Z 方向上的垂直元件替換了接地平面的鏡像 Z 元件。結(jié)果是一樣的;我們?cè)俅蔚玫揭粋€(gè)有效的偶極子，如圖26和27所示。

圖 26.將地面延伸到活動(dòng)元素下方的效果。

圖 27.帶PCB接地層的開(kāi)環(huán)遠(yuǎn)場(chǎng)仿真。

4.2.1. 開(kāi)環(huán)的測(cè)量阻抗

對(duì)于開(kāi)環(huán)，隨著波長(zhǎng)的延長(zhǎng)，天線看起來(lái)像一個(gè)開(kāi)路（F2到 F3).如果電源通過(guò)天線耦合到空間，則天線端點(diǎn)表現(xiàn)出高電壓且?guī)缀鯖](méi)有電流。返回饋電點(diǎn)時(shí)，電流開(kāi)始上升，電壓成比例下降，將輸入阻抗降低至1/4波長(zhǎng)（F1).參見(jiàn)圖 28。

圖 28.隨著天線電流的上升，電壓成比例下降。

短天線看起來(lái)也是電容式的，因?yàn)樗哂信c低于 1/4 λ 諧振的開(kāi)路傳輸線相似的特性。圖1中小型開(kāi)路天線的阻性和電容阻抗的理論組合與圖29中測(cè)量的相匹配。表 2 顯示了開(kāi)環(huán)中測(cè)量晶石的值。

圖 29.用于開(kāi)環(huán)的晶石。

表 2.短路回路的測(cè)量翼梁

5. 雜散和諧波天線注意事項(xiàng)

發(fā)射設(shè)備的天線通常是對(duì)系統(tǒng)性能影響最大且最不了解的組件。此外，天線經(jīng)常受到產(chǎn)品包裝要求的嚴(yán)重影響。即使在UHF下，在相對(duì)于其尺寸的長(zhǎng)波長(zhǎng)上有效發(fā)射能量的小型器件也很難設(shè)計(jì)。根據(jù)定義，由于n次諧波的波長(zhǎng)比基波短1/n，因此天線可以成為比基波更有效的諧波輻射器。

所有傳播的相干電磁輻射在被來(lái)自另一個(gè)來(lái)源的場(chǎng)反射或收斂時(shí)都會(huì)受到建設(shè)性和破壞性干擾。PCB上的輻射元件通常不僅來(lái)自一個(gè)源，而且通常是由所需輻射元件耦合到相關(guān)組件的場(chǎng)引起的許多無(wú)意天線的總和。

為了說(shuō)明這種效果，使用天線仿真程序EZNEC創(chuàng)建了一個(gè)示例。圖30顯示了在不同相位驅(qū)動(dòng)各種元件的源（模擬有源跡線）。然后將這些驅(qū)動(dòng)元件耦合到周圍隨機(jī)長(zhǎng)度的元件（如引線、連接器、零件、螺釘、鏈條、走線等），就像在 433MHz 的 PCB 上發(fā)現(xiàn)的一樣。

圖 30.使用 EZNEC 軟件模擬的隨機(jī)元素模型。

從遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)看，圖31所示基本面的仿真結(jié)果非常復(fù)雜，即使只是這個(gè)簡(jiǎn)單的模型也是如此。實(shí)際上， PCB板上所有組件的效果是無(wú)法模擬的， 這清楚地說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的重要性.

圖 31.模擬測(cè)試的基本PCB輻射結(jié)果如圖29所示。

根據(jù)定義，諧波將具有較短的波長(zhǎng)，因此它們的點(diǎn)源數(shù)量和相應(yīng)的天線效率增加。由于物體內(nèi)部的硬件是三維的，能量的耦合和再輻射也會(huì)導(dǎo)致諧波改變極化。下面的圖32是圖31所示的相同隨機(jī)單元模型的示例，除了二次諧波866MHz。

圖 32.PCB發(fā)射的二次諧波。

我們將諧波進(jìn)一步擴(kuò)展到第10次，遠(yuǎn)場(chǎng)模式變得更加復(fù)雜，有許多強(qiáng)的離散瓣。另請(qǐng)注意，從圖 33 中，沿 Z 軸的雜散瓣增大，并且比 X-Y 平面中的基波具有更大的天線增益。在這種情況下，電路電平的雜散發(fā)射和諧波衰減可以被更高頻率下更高效的散熱器的增益所抵消。這會(huì)導(dǎo)致不需要的排放，實(shí)際上超過(guò)了基波的場(chǎng)強(qiáng)。

圖 33.PCB發(fā)射的第十次諧波。

極化變化可能是由垂直于電路板的硬件引起的，例如 1/2 英寸的螺釘壓住天線的 PCB。如果PCB天線只有1英寸長(zhǎng)，垂直定位（X-Z軸）為300MHz，實(shí)際上，它只有19電度長(zhǎng)，因此效率低下且垂直極化。然而，在 40 次諧波時(shí)，水平安裝（沿 Y 軸）的螺釘將是 190 度，這是一個(gè)非常有效、近乎完美的偶極子（圖 34）。如果諧波在傳輸信號(hào)中含量很高，則一些能量可以耦合到螺釘上，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的不希望的交叉極化發(fā)射。在實(shí)踐中，人們通常只需要擔(dān)心幾個(gè)諧波。盡管如此，F(xiàn)CC將要求設(shè)備在相對(duì)于設(shè)備的所有極化下滿足遠(yuǎn)高于36GHz的發(fā)射限制。

圖 34.偶極子螺釘沿 Y 軸在自由空間中的理想放置。

地面也將對(duì)所有排放產(chǎn)生巨大影響。在自由空間中，理想的散熱器看起來(lái)像一個(gè)甜甜圈（圖 34）。但是，如果將同一散熱器放置在離地面或反射面三英尺的地方，則 -Z 方向上主瓣的一部分將反彈并干擾 +Z 方向的主瓣。圖 35 顯示了結(jié)果，一種花卉圖案，具有非常強(qiáng)烈的裂片向天空，并且所需的波瓣在橫向 X-Y 平面上沿 X 方向上升。

圖 35.離地面315英尺處3MHz的偶極子示例。

現(xiàn)在考慮一個(gè)平行于地面的半波偶極子，并為每個(gè)諧波切割。隨著電長(zhǎng)度增加到地，接地效應(yīng)將在一定程度上減弱。然而，在實(shí)踐中，基波輻射器是固定長(zhǎng)度的，其諧波旁瓣處的增益通常比基波更大。結(jié)果是波瓣的復(fù)雜干涉，如下圖36所示。

圖 36.半波偶極子在離地面三英尺處切割的諧波示例。

6. 總結(jié)

只有一種真正準(zhǔn)確的方法來(lái)確定天線真正輻射的元素。必須仔細(xì)測(cè)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基本輻射元件，在設(shè)備的所有角度和偏振下，以及在發(fā)射器的實(shí)際使用環(huán)境中進(jìn)行。

隨著頻率的增加，短路環(huán)路從感應(yīng)開(kāi)始，然后發(fā)展到諧振。相比之下，開(kāi)環(huán)從電容開(kāi)始，然后發(fā)展到它們的諧振。兩種設(shè)計(jì)都有一個(gè)小的電阻元件，很難通過(guò)仿真或測(cè)量進(jìn)行估計(jì)，從而導(dǎo)致天線效率低下。由于接地的鏡像效應(yīng)，開(kāi)環(huán)的場(chǎng)模式通常更依賴于接地，并且傾向于偶極子模式。相比之下，短路環(huán)路元件由于接地時(shí)間短而具有較大的電流分量;因此，短路環(huán)路更像是一個(gè)磁耦合場(chǎng)，傾向于接近8字形模式，對(duì)PCB接地的依賴性較小。

對(duì)于小天線，諧波的效率和匹配比基波更好。隨著整個(gè)元件的電流分布變化，場(chǎng)模式也變得更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)中的干涉圖案。因此，小天線的諧波驅(qū)動(dòng)效率更高，天線本身在實(shí)際大于設(shè)計(jì)頻率的不需要的頻率下可能具有不可預(yù)測(cè)的增益。

地面的影響不容忽視。在實(shí)踐中，地面對(duì)測(cè)量結(jié)果和能量方向都有非常大的影響。

雖然仿真接受小環(huán)路，但仿真結(jié)果的價(jià)值僅限于大致了解天線在理想環(huán)境中的工作方式，并了解空間和地面的影響。這種一般理解仍然是一種特別有用的見(jiàn)解，或者是優(yōu)化天線結(jié)果的直觀“感覺(jué)”。

審核編輯：郭婷