EM SIMULATION
遙控接收机天线匹配电路设计及仿真Design and Simulation of Antenna Matching Circuit in Remote Control Receiver 汽车噪声、振动与安全技术国家重点实验室曾霞黎小娇
摘要
针对车载遥控接收机天线馈电端口不匹配的情况，利用电磁仿真软件FEKO对天线馈电端口的驻波比、输入阻抗进行仿真分析。由匹配电路设计软件ADS得到分立LC匹配电路，并在FEKO软件中通过非辐射网络来模拟天线的匹配电路，实现天线匹配网络与天线的一体化仿真。仿真表明，遥控接收机天线馈电端口的驻波比由3.96降至1.5以下。 关键词
FEKO；遥控接收机天线；馈电端口；匹配优化
Abstract
Aiming at the mismatch of the antenna feed port of the vehicle remote control receiver,the standing wave ratio and input impedance of the antenna feed port are simulated and analyzed by FEKO software.The discrete LC matching circuit is obtained by ADS software,and the matching circuit of antenna is simulated by non-radiation network in FEKO software.The integrated simulation of antenna matching network and antenna is realized.The simulation results show that the standing wave ratio of antenna feed port of remote control receiver is reduced from3.96to less than1.5.
Keywords
FEKO;remote control receiver antenna;feed port;matching optimization
引言
天线是用于接收和发送无线信号的装置，是移动通信系统的重要组成部分，其性能优劣直接影响移动通信整体质量。匹配性能是天线最重要的性能指标之一，天线端口不匹配会增加功率反射.辐射效率就比较低。当天线、接插件、天线连接线的特征阻抗值一致时，系统就处于匹配状态，信号传输的效果较好。
PEPS（Passive Entry&Passive Start），即无钥匙进入与无钥匙启动，通过高、低频信号（高频433.
92MHz，低频125kHz）在车身（ECU）与智能钥匙间建立起有效的双向交互通讯，根据验证结果决定是否打开门锁（PE系统）或启动车辆引擎（PS系统）□本文的遥控接收机天线指的是高频天线，主要集成在PEPS控制器和车身控制器（BCM）内。
1阻抗匹配原理
阻抗匹配指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。
要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗匹配，这不仅为减小功率损耗，还能降低噪声干扰、提高功率容量和频率响应的线性度等。通常认为，匹配网
络的用途就是实现阻抗变换，将给定的阻抗值变换成其他更合适的阻抗值。
基本阻抗匹配原理如图1。其中乞、R分别是信
号源的电压、内阻，他是负载电阻，P°、P，分别是输出、输入功率。
图1基本阻抗匹配原理图
Rg(2)
£
R,
64SAFETY&EMC No.12019(1)
(3)
电磁仿真
由式（1）~式（3）可得：
当Q即R、=Ri时，P“达到最大功率，此时为阻抗兀配状态无论负载电阻大于还是小于信号源内阻，都不可能使负载获得最大功率，且两个电阻值偏差越大，输出功率越小。
广义阻抗匹配原理如图2〉5是信号源电压，Z、、Z］分别是信号源、负载阻抗.P“是输出功率，/是电流。
阻抗匹配概念推广到交流电路.当负载阻抗Z L与信号源阻抗Z，共辄时，即Z,=Z；.能够实现功率的最大传输，称作共辘匹配或广义阻抗匹配如果负载阻抗不满足共觇匹配条件，就要在负载和信号源之间加一个阻抗变换网络N，将负载阻抗变换为信号源阻抗的共辄，实现阻抗匹配：
图2广义阻抗匹配原理图
2天线匹配流程
天线匹配方式通常有：1）修改天线本身结构.包括几何结构、馈电点位置、构成材料等，但天线设计的后期.很难对结构进行修改；2）加入匹配网络.利用元件如电感、电容、电阻、或者传输线变换结构等达到匹配。这样修改的好处是匹配容易达成，缺点是天线结构更加复杂，不利于小型化.且匹配网络会消耗部分功率及阻抗带宽变窄。
通过仿真加入匹配网络实现天线系统匹配的主要流程：1）FEKO仿真得到天线的端口特性、工作频率范围内的S参数、VSWR（驻波比）以及工作频率处的输入阻抗；2）利用匹配电路设计软件得到分立LC匹配电路的类型和参数.一般采用ADS进行单频点的匹配电路设计；3）在FEKO软件中通过非辐射网络来模拟天线的匹配电路，用SPICE语句编写兀配网络程序；4）天线匹配网络与天线的一体化仿真
3遥控天线特性仿真
3.1仿真模型
遥控接收机内部结构如图3所示，其天线是L型，结构简单、频带窄：在FEKO软件中建立遥控接收机天线模型.省略掉一些与天线无关的芯片和分离元器件.与遥控接收机天线工作波长（T.作频率433.92MHz，波长0.69m）不可比拟的细小结构也直接简化.只保留PCB板框架、天线金属部分以及PCB的地.在天线与地之间添加馈电端口.简化后的遥控接收机天线仿真模型如图4所示；
（a）正面（b）背面
图3遥控接收机内部结构
（a）正面
L型天线地
（b）背面
图4仿真模型
根据互易定理.同一天线作为发射或接收的基本特性参数相同，可对遥控接收机天线施加激励.通过辐射方向图来描述其接收方向性仿真时默认设置激励为I\的电压源，端口参考阻抗为so n
3.2天线端口特性及分析
在420-460MHz频段内.遥控接收机天线端口驻波比（VSWR）及阻抗特性的仿真结果见图5、图6
2019年第1期安全与电磁兼容
65
探针天线EM SIMULATION
二
M r
10
5
4.0420
425
430
435 440 445 450
//MHz
图5遥控接收机天线端口 VSWR 仿真结果
420
425 430 435 440 445 450
-5
-1()
-15//MHz
图6遥控接收机天线端口阻抗特性仿真结果
由图5可见，遥控接收机天线实际谐振频率在
437 MHz 左右，偏移目标谐振频率(433.92 MHz)约 3 MHz ： 437 MHz 的VSWR 约3.956，说明端口反射较大; 433.92 MHz 的端口 VSWR 为3.961，端口反射也比较大"
实际谐振频率437 MHz 时的输入阻抗为(4.66+j2.63 ) <1, 目标谐振频率433.92 MHz 的输入阻抗为(4.55+J0.253 ) O ,
都远远偏离50 £1，因此天线端口需要优化匹配。
4天线匹配优化
4.1确定匹配电路
遥控接收机天线端口特性仿真时，信号源激励的阻 抗Z s =50 fl ，目标谐振频率433.92 MHz 的天线端口输
入阻抗Z l = ( 4.55+J0.253 ) 要实现目标谐振频率处
的最大输出功率及最小端口反射，就要在信号源激励与
天线端口处添加一个阻抗匹配网络，实现信号源Z，与 天线乙间的匹配。
遥控接收机天线是单频点匹配，端口阻抗匹配相对 简单，用分立的LC 匹配网络即可实现，匹配的关键是 通过相关软件得到匹配网络的LC 元件参数：采用ADS
远红外陶瓷球
软件，分别输入信号源的阻抗50 和天线的输入阻
抗乙，即可直接得到分立LC 元件的L 型匹配网络，如 图7所示，电感厶=5.8nH，电容C=25 pF =
4.2调用匹配网络
FEKO 通过非辐射网络来模拟天线的匹配电路以实 现匹配网络与天线的一体化仿真。非辐射网络通过spice 程序实现，文件格式为dr，以靠近爲的端口为”1端
66 SAFETY &EMC No. 12019
口，靠近厶的端口为/72端口，程序及匹配网络调用如
图8所示将匹配网络通过非辐射网络调入仿真工程,
匹配网络的负载端口 GeneralNetwork l.port 1与天线端
口 portl 直接相连，然后将信号源激励添加在匹配网络 的源端口 GeneralNetworkl.port2，这样就可以实现在天
线端口 portl 与信号源激励之间添加匹配网络，如图9
所示。铣床飞刀
图7阻抗匹配网络
<z>
P2
patching circuit
.SUBCKT GeneralHetworkl nl n2 cl nl n2 25pF 11 n2 0 5. 8nH .EMDS
.end
图8 FEKO 软件中匹配网络调用方式
GeneralNetworkl
Portl
图9 FEKO 软件中匹配网络连接与激励添加方式
5优化结果及分析
添加阻抗匹配网络后仿真得到的信号源激励端口 VSWR 、阻抗特性如图10，图11
40420
425 430 435 44()
445 450 455 460
//Mllz
图10遥控接收机天线激励端口 VSWR
仿真结果
电磁仿真
由图10可见.加匹配网络后，遥控接收机天线实际谐振频率为435MHz，偏离433.92MHz目标谐振频率1MHz左右；实际谐振频率435MHz的VSWR为1.2，目标谐振频率433.92MHz的端口VSWR为1.3&相差不大。图11中，435MHz的阻抗为(43.7-j6.08)J1, 433.92MHz的阻抗为(44.6+J2.83)O，都比较接近信号源激励的内阻500。此时天线端口匹配较好，天线
//MHz
图"遥控接收机天线激励端口阻抗特性仿真结果
天线仿真得到的实际谐振频率与目标谐振频率有细微的偏差，主要是匹配时参数不太精确造成的(如匹配网络中的电容或电感值有些微偏差)，但此时目标谐振频率433.92MHz处的VSWR也接近于1，且端口阻抗比较接近于信号源激励内阻500，因此频率偏移可以忽略。
由于未得到BCM控制器芯片的输出阻抗，仿真时信号源激励内阻默认设置为500。实际遥控接收机上，信号源端口阻抗应为BCM控制器芯片的输出阻抗，也就是说天线不一定是匹配到500。因此，实际匹配电路设计时，只要天线阻抗与芯片的输出阻抗匹配就好，匹配参数应相应调整，本文只是提供一种端口匹配的方法。
6结语
通过电磁仿真软件对天线端口特性的分析.实现了天线馈电端口失配的优化设计，仿真工具运用于天线设计是一种比较便捷的方法。除匹配性能外，遥控接收机天线工作状态下的辐射特性也是一个重要方面，目前，整车级天线的三维方向性很难测试，今后可借助仿真工具快速了解车体对天线性能的影响，以便对天线进行全方位的优化设计。
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编辑：刘新霞
(上接第62页)
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编辑：刘新霞
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