学个Antenna：手机天线之宽带匹配原理

学个Antenna是以天线仿真和调试为主&＃xff0c;理论原理为辅的干货天线技术专栏&＃xff0c;包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题&＃xff0c;可以在文尾写下留言。

学个Antenna&＃xff1a;手机天线之宽带匹配原理 - RFASK射频问问

​摘要&＃xff1a;

随着智能手机性能的日臻完善&＃xff0c;多摄、快充大电池、高性能散热要求等&＃xff0c;不断挤压着预留给天线设计的净空区域。这也使得本就属电小尺寸的手机天线具有更高的Q值&＃xff0c;更窄的带宽。因此提高天线输入端口的匹配性能&＃xff0c;使得天线总效率接近理论辐射效率&＃xff0c;显得尤为重要。

本文先引入一款理解和学习阻抗匹配的“神器”&＃xff0c;然后以微带贴片天线为例&＃xff0c;用简单的LC匹配网络进行宽带匹配。

本文使用的软件为CST 2018版本

一款理解和学习阻抗匹配的“神器”

来自Bern University of Applied Sciences的博士生Fritz Dellsperger原创的一款Smith圆图软件 。简单易用&＃xff0c;在阻抗匹配的学习和验证中还是比较有用的&＃xff01;

https://www.advanceduninstaller.com/Smith-V4_1-a64019eca825004160867e4fe3f030ed-application.htm

​1. 集总LC匹配&＃xff1a;

5.8GHz阻抗(ohm)为100-j100&＃xff0c;并电容串电感方式实现匹配

2. 微带线匹配&＃xff1a;

示例1中&＃xff0c;5.8GHz阻抗(ohm)为100-j100&＃xff0c;仅用2节微带线也可以实现匹配

• 先串联50ohm微带线&＃xff0c;使其与匹配圆相交&＃xff0c;然后再串联高阻抗微带线即可实现匹配。这里高阻抗微带线其实和电感的特性差不多&＃xff0c;原理如下&＃xff1a;

• 由微波工程的微波网络分析一节易得长度为L无耗传输线&＃xff0c;其A矩阵为&＃xff1a;

​

• 当特性阻抗

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变为高阻抗时&＃xff0c;

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&＃xff0c;该矩阵退化为上三角矩阵:

• 这与串联电感的A矩阵类似&＃xff1a;

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在上述示例中&＃xff0c;5.8GHz阻抗(ohm)为100-j100&＃xff0c;除了用2节微带线&＃xff0c;一节能不能实现呢&＃xff1f;答案是肯定的&＃xff01;

在上面视频中&＃xff0c;用了一节125ohm左右的微带线即实现了匹配&＃xff0c;从匹配轨迹上来看&＃xff0c;其实就是DP1以125ohm在smith圆图上对应的点为圆心&＃xff0c;绕着其顺时针旋转。理论上只要在实轴上找到一个阻抗点&＃xff0c;使得其到待匹配点和匹配点距离一致&＃xff0c;就可以实现单微带线匹配。

窄带贴片天线仿真

下图边馈式贴片天线&＃xff08;采用1mm厚度的FR-4基板&＃xff09;&＃xff0c;其理论的带宽比较窄。

​窄带贴片天线-CST仿真结果

​

从上到下依次为CST仿真的S11&＃xff0c;Smith圆图&＃xff0c;天线的辐射效率和总效率。

• 可以看出该天线的10dB带宽大致为200MHz&＃xff08;3.44%左右的相对带宽&＃xff09;。

• 从最右边的效率图可知&＃xff0c;除谐振频率附近外&＃xff0c;远离中心频率的频段由于没有得到良好匹配&＃xff0c;天线的总效率&＃xff08;绿色曲线&＃xff09;迅速下降

宽带匹配方式1

在之前的推文中&＃xff0c;我们在文末推荐了清华大学-张志军撰写的Antenna Design for Mobile Devices。其中第二章节就是Antenna Matching&＃xff0c;2.2.4的Bandwidth Consideration举了3个拓展频带的集总LC元件匹配方法。

这里将应用Example 2.1的匹配思路&＃xff08;如下图所示&＃xff09;进行带宽的拓展。

​如上图所示&＃xff0c;谐振中心附近其S11迅速恶化。从图b也可看出&＃xff0c;Smith圈比较发散&＃xff0c;除谐振频率点在纯电阻线上&＃xff0c;其他频点在Smith圆图上则逐渐远离匹配中心&＃xff0c;因此S11看起来在1.35GHz左右取到极小值。良好的匹配应该是尽可能将阻抗线&＃xff08;图b黑色曲线&＃xff09;在宽频带内向匹配点处收敛。

如图b所示&＃xff0c;High band处于感性区&＃xff0c;Low band处于容性区。High band通过并联电容可以向下搬移&＃xff0c;Low band通过并联电感可以向上搬移。假设低频需要电感值为

&＃xff0c;高频需要电容值为

&＃xff0c;选择合适的

​

​

同时满足高频和低频的匹配&＃xff0c;以及并联LC电路的谐振频率在待匹配的谐振频率附近&＃xff0c;

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&＃xff0c;就能实现下图所示宽带匹配效果。

​并联LC电路的输入阻抗如下图所示&＃xff0c;可以看出低频呈现感性&＃xff0c;高频呈现容性&＃xff0c;理论上同时实现低、高频的匹配。

​在利用并联LC元件拓展带宽前&＃xff0c;先增加贴片天线馈线宽度&＃xff0c;使Smith圈靠低阻区挪动&＃xff0c;便于后续的匹配设计。

​

下面按上述方法&＃xff0c;增加并联LC匹配电路&＃xff0c;可以看出10dB带宽拓展到了400MHz。

宽带匹配方式1&＃xff1a;并联LC电路

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​优化匹配前后对比&＃xff1a;

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从上图可以看出&＃xff0c;谐振中心频带得到拓展&＃xff0c;而边带的天线总效率则会随着偏离谐振中心进一步急剧下降。

*本文的图片部分来自微波工程教材&＃xff0c;致谢Markdown Nice提供的公式排版服务

作者&＃xff1a;微波天线工程师

来源&＃xff1a;学个Antenna&＃xff1a;手机天线之宽带匹配原理 - RFASK射频问问

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