IFA天线的ADS仿真及参数影响-EEFocus

IFA天线的ADS仿真及参数影响
IFA,是Inverted-F Antenna的缩写,因为其形状像一个倒置的字母F,因此被称为倒F天线。IFA天线是一种monopole(单极)天线的变形,在其上面增加了一个短路支节,用以改善单极天线阻抗匹配困难的问题,又保持了其长度较小的特性,因此一经被推出就获得很大关注,随后衍生出各种变形,包括现在手机中最常见的内置PIFA天线。
TI公司在其资料中也给出了用于2.4GHz的IFA的外形尺寸,在ADS的Layout界面画出图形(因为IFA结构较复杂,直接绘制往往不够精准,可以用其他软件绘制的Gerber、DXF/DWG、Candence PCB等格式导入):
1.理想情况下IFA天线的仿真:
IFA天线占用面积大约为30X8mm,比sniffer天线大一倍还多,当然会有更优越的性能。这里不再给出仿真的过程,只分析得出的结果。这是S11特性曲线及smith图:
钢钙板可能是我绘制的IFA天线尺寸不够精确,或者是其他一些因素造成,其中心频率略偏离了2.4~2.5GHz,而为2.35GHz;反射系数也只有-13.5dB,相当于VSWR=1.5;VSWR<2的带宽为220MHz,相对带宽为9%。(因为这类线天线的相对带宽都较窄,所以对天线绘制的精确度要求较高,否则将偏离设计频率。)
从smith图中可以看出:在中心频率处,IFA天线接近纯阻,这正是增加了接地的短路支节获得的特性,但此时纯阻大于50Ohm(sniffer天线是小于50Ohm),约为Z0的1.56倍,因此反射系数较高,不够理想。如果精准调整相关参数,使其位于50Ohm上,就可以达到理想的优良特性,这正是IFA天线设计的关键点。
从以上2D辐射场的图形可以看出,其天线效率达到67.4%,而sniffer天线只有47%,但二者的场分布很接近。
机器人吸盘
从增益图可以看出,IFA天线在1V馈电时最高增益为11dBm(sniffer天线为7.6dBm),其增益最高点也偏离了0度,变为14度。
IFA天线的空间辐射场大致也为球形,也有变形和不对称性,更像一只在基板出被切成两半的苹果。一个凹入点(即空间辐射较弱的方向)在馈电方向,这里有较大的地平面。
如果计算远场,也会得到对应远场的S参数:
而远场的3D图如图:
从上图可以看出,IFA天线的远场辐射也接近全向天线,同样有两个方向辐射比较弱,一个是馈电点方向,这里有较大的敷地,对信号的辐射有影响;还有一处是在天线左上角,这里的用于阻抗匹配的支节对辐射有较大影响。
2.PCB板厚对天线特性的影响:
以上的仿真,是在特定FR4基板厚度状况下得到的,在此厚度下,0.5mm宽的微带线阻抗为50Ohm(未按TI资料上给出的0.46mm绘制,这也是仿真结果有些偏差的一个重要原因)。在sniffer天线的仿真中考虑了PCB加工的板厚误差对天线特性的影响,因为其相对带宽较窄,只有5.5%,加工误差稍大就会带来明显的影响,而IFA天线的相对带宽为9%,加工误差的影响就会小很多,基本可以不考虑。板厚较大会使中心频率偏低,而厚度较小会使中心频率偏高,这种现象是一致的。
nidd
这里主要是考虑使用较厚的廉价的双面PCB来制作IFA天线带来的影响。常用的双面FR4基板最薄的为0.6mm(再薄的很少使用),设定厚度值进行仿真,得到如下曲线:
可见,其中心频率变为2.2GHz,降低了约6%,而反射系数为-17.3dB,相当于VSWR为1.3,反而有所改善;相应的VSWR<2.0的带宽变为240MHz,相对带宽为10%,也变得更宽。
木材烘干
从smith图上可以看出,中心频率点的阻抗也非常接近纯阻,而且更接近阻抗匹配点,即阻抗有所降低,为Z0的1.3倍。因为在0.6mm厚的基板上,已难以做出50Ohm的微带线来馈
电,因此必然还会引起馈电口的阻抗失配情况,这时的S11曲线变为:
中心频率只有很小的降低,基本未变,但反射系数反而改善了,达到-24,即VSWR=1.13,当然带宽也扩宽为340MHz,相对带宽为14%。如果看smith图,就清楚了:
中心频率处也基本为纯阻,但从匹配点的右侧转为左侧。因为设计的IFA的阻抗偏高,大于50Ohm,所以在馈电微带线为50Ohm时反而失配,而用高于50Ohm的微带线馈电反而失配更小,反射系数当然就更小了。(至于为何按TI提供的尺寸绘制的天线会与50Ohm微带线失配,或者有IFA绘制精度的问题,但更有可能是当初设计的IFA并不是用在FR4基板上,因为IFA天线的频带较宽,更适合WI-FI使用,而性能更好的WI-FI产品一般不会使用普通的FR4基板,当然一些参数就会有些差别,但TI的资料并未给出这方面的说明。)
高增益天线
触摸白板

本文发布于:2024-09-22 03:29:45,感谢您对本站的认可!

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