利用模擬分析設(shè)計(jì)基板天線

圖2 典型的天線外觀

接著以圖2(a)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)易的Monopole天線為例，并利用電磁界模擬分析軟體S-NAP/Field(LE)說(shuō)明基板型天線的設(shè)計(jì)技巧。圖3是12.5GHz Monopole天線，長(zhǎng)約λ/4的prints pattern一邊呈開(kāi)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(zhǎng))。 

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(shí)，reactance成份會(huì)變成0，該頻率會(huì)使天線會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)阻抗值大約是50Ω。由圖4(b)可知12.5GHz時(shí)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(shí)的放射效率大約是99.3%，也就是說(shuō)實(shí)際上可將這種接近無(wú)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(shí)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(kāi)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(wú)電波放射。根據(jù)以上結(jié)果獲得一項(xiàng)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(jì)類(lèi)似圖2(a)所示的Monopole天線時(shí)，天線長(zhǎng)度就成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，因?yàn)樘炀€的長(zhǎng)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(chǎng)合，print pattern的寬度則比長(zhǎng)度重要。為了解print pattern的寬度對(duì)天線會(huì)產(chǎn)生那些影響，因此利用上述模擬軟體進(jìn)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(shí)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(shí)，print pattern寬度一旦變窄，軌跡會(huì)變長(zhǎng)拖延整體并朝向阻抗成份較低的方向移動(dòng)，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(wú)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(chǎng)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(shuō)明天線的設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(jìn)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(huì)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(shí)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(yù)期效果。圖15是頻率為9.75GHz時(shí) 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(guò)在傳輸線路端追加設(shè)置元件，進(jìn)行與一般電路同的微調(diào)手法并非特殊案例。 

圖13 經(jīng)過(guò)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(yǔ)
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(shí)代潮流需求，基板型天線已經(jīng)成為市場(chǎng)主流，由于模擬分析軟體的進(jìn)步，工程師可透過(guò)模擬分析進(jìn)行各種基板的設(shè)計(jì)與評(píng)估。