利用模拟分析设计基板天线.docx

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利用模拟分析设计基板天线

利用模擬分析設計基板天線

天線主要功能是將纜線與printpattern傳來的電氣信號轉換成電波釋放至自由空間，或是捕捉漫遊在自由空間的電波並轉換成電氣信號，因此對通信電子產品而言，天線是非常重要的元件。

天線設計涉及放射特性、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電波暗室、ovensit等設備，因此工程師都將天線設計視為畏途。

由於模擬分析技術相當進步，尤其是電磁界模擬分析經過整合後，已經可以分析printpattern構成的天線特性（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計技巧。

設計重點

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，並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。

設計天線必需根據系統要求的放射特性、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，幾乎都是使用頻寬極窄的高頻信號進行送、收信，設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

圖2是典型的基板型天線的外形。

基於市場的需求無線電通信設備不僅是電路日益小型化，即使天線也朝向小型化方向發展，因此將小型天線設計在電路基板內的情況有增加的趨勢，照片1是晶片化天線（chipantenna）封裝後的外觀。

（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）結構最簡易的Monopole天線為例，並利用電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field（LE）說明基板型天線的設計技巧。

圖3是12.5GHzMonopole天線，長約λ/4的printspattern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，printpattern的尺寸為1.0mm（寬）×4.75mm（長）。

圖3利用單層基板製作12.5GHzMonopole天線

圖4是根據電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field（LE）分析後，獲得的天線輸入阻抗頻率特性與returnloss特性。

由圖4（a）可知，marker1為12.5GHz時，reactance成份會變成0，該頻率會使天線會產生共振，此時阻抗值大約是50Ω。

由圖4（b）可知12.5GHz時returnloss大約是21.6dB，輸出至天線的電力反射低於1%，根據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）returnloss的頻率特性

圖412.5GHzMonopole天線模擬分析後的

輸入阻抗與returnloss的頻率特性

‧放射特性分析

圖5是頻率為12.5GHz時的printpattern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果。

由圖5可知由於printpattern呈開放狀，因此電流值為0；此外根據圖6的放射特性結果可知，電波是以天線為中心軸呈圓環狀放射，沿著printpattern的軸心方向幾乎無電波放射。

根據以上結果獲得一項結論，那就是利用模擬分析可從任意角度觀察電波放射狀況。

圖5Monopole天線利用模擬

分析後的電流分佈狀態

圖6Monopole天線模擬分析後的放射特性

‧printpattern的寬度與共振頻率的關係

若設計類似圖2（a）所示的Monopole天線時，天線長度就成為設計重點，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printpattern天線的場合，printpattern的寬度則比長度重要。

為了解printpattern的寬度對天線會產生那些影響，因此利用上述模擬軟體進行分析。

此處假設圖2（a）printpattern的寬度從1.0mm變成圖7的0.25mm；圖8則是模擬分析後獲得的阻抗特性與returnloss特性。

圖9與圖10分別是頻率為12.5GHz時的printpattern表面的電流分佈狀況與電波放射特性。

由圖8（b）可知，printpattern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，printpattern寬度一旦變窄，軌跡會變長拖延整體並朝向阻抗成份較低的方向移動，該影響造成圖8（b）的returnloss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）returnloss的頻率特性

圖8Monopole天線的輸入阻抗與returnloss頻率特性

圖9Monopole天線的電流分佈

圖10Monopole天線的放射特性

‧天線未整合的場合

接著以圖2（d）的MicroStrip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MicroStrip天線的printpattern，圖中央四方形是天線本體。

圖12是模擬分析後獲得的天線輸入阻抗與returnloss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，並無法作matching。

由於9.75GHz的returnloss大約是1dB，因此輸入至天線的電力幾乎都被反射折返，根據模擬分析結果顯示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的電波。

圖11未經整合的microstrip天線

（a）輸入阻抗的頻率特性

（b）returnloss的頻率特性

圖12天線的輸入阻抗與returnloss頻率特性

‧整合調整

如上所述由於本天線無法有效捕捉電波，因此必需作整合性調整，如圖11所示具體方法是在天線50Ω傳輸線路連接處設置切口進行整合性調整。

圖13是調整後的printpattern；圖14是調整後的天線輸入阻抗與returnloss的頻率特性。

如圖14（a）所示marker1是9.75GHz的阻抗（impedance），由圖可知，在9.75GHz附近就會產生共振，而且阻抗也變成50Ω左右。

由圖（b）可知，9.75GHz的returnloss大約是27dB，輸入至天線的電力反射則低於0.2%而且未發生反射，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，顯然上述的整合調整已經獲得預期效果。

圖15是頻率為9.75GHz時printpattern表面的放射特性。

雖然上述天線是利用粘貼printpattern方式作整合性調整，不過在傳輸線路端追加設置元件，進行與一般電路同的微調手法並非特殊案例。

圖13經過matching改善的microstrip天線

（a）輸入阻抗的頻率特性

（b）returnloss的頻率特性

圖14Monopole天線的輸入阻抗與returnloss頻率特性

圖15天線的放射特性

結語

如上所述天線是通信設備不可或缺的重要元件，隨著小型化的時代潮流需求，基板型天線已經成為市場主流，由於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計與評估。