天線主要功能是將纜線與print pattern傳來的電氣信號轉(zhuǎn)換成電波釋放至自由空間，或是捕捉漫游在自由空間的電波并轉(zhuǎn)換成電氣信號，因此對通信電子產(chǎn)品而言，天線是非常重要的元件。天線設(shè)計涉及放射特性、beam寬度、等化等諸多要素，加上必需反覆不斷的進行cut與try，特性量測時還需大費周章架設(shè)電波暗室、oven sit等設(shè)備，因此工程師都將天線設(shè)計視為畏途。由于模擬分析技術(shù)相當進步，尤其是電磁界模擬分析經(jīng)過整合后，已經(jīng)可以分析print pattern構(gòu)成的天線特性(亦即所謂的基板型天線)。因此本文要介紹如何利用模擬分析，探討負責電波輸出入的基板型天線動作機制與設(shè)計技巧。設(shè)計重點如圖1所示基本上天線是將特性阻抗(impedance)Z0的回路與空間整合(matching)的電子元件，因此良好的整合可使高頻電力變成電波高效率釋放至自由空間，并與遠方的收信機進行交信，同時還可接收遠方傳來的微弱電波。
設(shè)計天線必需根據(jù)系統(tǒng)要求的放射特性、容許形狀、容許大小等要件選擇天線的型式，接著利用模擬分析或是實際試作修改缺失，才能決定天線最終的形狀與大小。
圖1 天線的基本動作原理
目前已商品化的高頻通信系統(tǒng)，幾乎都是使用頻寬極窄的高頻信號進行送、收信，設(shè)計這類天線時必需把握下列兩項要點，分別是:
①利用中心頻率使其共振，而且reactance成份必需為0。
②信號輸入至天線的點必需是傳輸線路的連接點(供電點)與阻抗、傳輸線路作妥善的整合(matching)。
Monopole天線的模擬分析
(a)晶片型多層天線 (b) 晶片型誘導體天線 (c)藍芽用陶瓷patch天線
照片1 晶片化天線的外觀
圖2 典型的天線外觀
接著以圖2(a)結(jié)構(gòu)最簡易的Monopole天線為例，并利用電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)說明基板型天線的設(shè)計技巧。圖3是12.5GHz Monopole天線，長約λ/4的prints pattern一邊呈開放狀，印刷基板厚度為0.8mm，誘電率為2.2，印刷基板的背面呈自由空間狀態(tài)，print pattern的尺寸為1.0mm(寬)×4.75mm(長)。
圖3 利用單層基板制作12.5GHz Monopole天線
圖4是根據(jù)電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)分析后，獲得的天線輸入阻抗頻率特性與return loss特性。由圖4(a)可知，marker 1為12.5GHz時，reactance成份會變成0，該頻率會使天線會產(chǎn)生共振，此時阻抗值大約是50Ω。由圖4(b)可知12.5GHz時return loss大約是21.6dB，輸出至天線的電力反射低于1%，根據(jù)模擬分析求得的天線特性，12.5GHz時的放射效率大約是99.3%，也就是說實際上可將這種接近無反射現(xiàn)象，視為輸入電力全部釋放至自由空間。
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b) return loss的頻率特性
圖4 12.5GHz Monopole天線模擬分析后的
輸入阻抗與return loss的頻率特性
‧放射特性分析
圖5是頻率為12.5 GHz時的print pattern表面的電流分佈狀況；圖6是利用上述模擬軟體分析放射特性獲得的結(jié)果。由圖5可知由于print pattern呈開放狀，因此電流值為0；此外根據(jù)圖6的放射特性結(jié)果可知，電波是以天線為中心軸呈圓環(huán)狀放射，沿著print pattern的軸心方向幾乎無電波放射。根據(jù)以上結(jié)果獲得一項結(jié)論，那就是利用模擬分析可從任意角度觀察電波放射狀況。
圖5 Monopole天線利用模擬
分析后的電流分佈狀態(tài)
圖6 Monopole天線模擬分析后的放射特性
‧print pattern的寬度與共振頻率的關(guān)系
若設(shè)計類似圖2(a)所示的Monopole天線時，天線長度就成為設(shè)計重點，因為天線的長度決定天線的共振頻率，亦即天線的適用頻率；相較之下print pattern天線的場合，print pattern的寬度則比長度重要。為了解print pattern的寬度對天線會產(chǎn)生那些影響，因此利用上述模擬軟體進行分析。此處假設(shè)圖2(a) print pattern的寬度從1.0mm變成圖7的0.25mm；圖8則是模擬分析后獲得的阻抗特性與return loss特性。圖9與圖10分別是頻率為12.5GHz時的print pattern表面的電流分佈狀況與電波放射特性。
由圖8(b)可知，print pattern寬度一旦變窄，共振頻率也隨著降低；如果圖8(a)的阻抗特性與圖4(a)比較時，print pattern寬度一旦變窄，軌跡會變長拖延整體并朝向阻抗成份較低的方向移動，該影響造成圖8(b)的return loss整體惡化3～4dB，電流分佈狀況與電波放射特性則無明顯改變。
圖7 改變Monopole天線的pattern寬度
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b)return loss的頻率特性
圖8 Monopole天線的輸入阻抗與return loss頻率特性
圖9 Monopole天線的電流分佈
圖10 Monopole天線的放射特性
‧天線未整合的場合
接著以圖2(d)的Micro Strip天線為例，利用上述電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)說明天線的設(shè)計技巧。此處共振頻率為9.75GHz，使用雙層基板的厚度為0.8mm,誘電率無2.2，基板的背面為ground面。
圖11是本Micro Strip天線的print pattern，圖中央四方形是天線本體。圖12是模擬分析后獲得的天線輸入阻抗與return loss的頻率特性，由圖可知若只是單純將特性阻抗為50Ω的傳輸線路連接，并無法作matching。由于9.75GHz的return loss大約是1dB，因此輸入至天線的電力幾乎都被反射折返，根據(jù)模擬分析結(jié)果顯示9.75GHz的放射效率只有20%，這意味著本天線幾乎無法高效率捕捉自由空間內(nèi)的電波。
圖11 未經(jīng)整合的micro strip天線
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b)return loss的頻率特性
圖12 天線的輸入阻抗與return loss頻率特性
‧整合調(diào)整
如上所述由于本天線無法有效捕捉電波，因此必需作整合性調(diào)整，如圖11所示具體方法是在天線50Ω傳輸線路連接處設(shè)置切口進行整合性調(diào)整。圖13是調(diào)整后的print pattern；圖14是調(diào)整后的天線輸入阻抗與return loss的頻率特性。
如圖14(a)所示marker 1是9.75GHz的阻抗(impedance)，由圖可知，在9.75GHz附近就會產(chǎn)生共振，而且阻抗也變成50Ω左右。由圖(b)可知，9.75GHz的return loss大約是27dB，輸入至天線的電力反射則低于0.2%而且未發(fā)生反射，這意味著輸入至天線的電力幾乎全部釋放至自由空間。利用模擬分析求得的天線放射效率，9.75GHz時為99.8%，這與圖11的天線有極大差異，顯然上述的整合調(diào)整已經(jīng)獲得預期效果。圖15是頻率為9.75GHz時 print pattern表面的放射特性。雖然上述天線是利用粘貼print pattern方式作整合性調(diào)整，不過在傳輸線路端追加設(shè)置元件，進行與一般電路同的微調(diào)手法并非特殊案例。
圖13 經(jīng)過matching改善的micro strip天線
(a)輸入阻抗的頻率特性
(b)return loss的頻率特性
圖14 Monopole天線的輸入阻抗與return loss頻率特性
圖15 天線的放射特性
結(jié)語
如上所述天線是通信設(shè)備不可或缺的重要元件，隨著小型化的時代潮流需求，基板型天線已經(jīng)成為市場主流，由于模擬分析軟體的進步，工程師可透過模擬分析進行各種基板的設(shè)計與評估。
下載文檔
