技术

热门搜索：TriQuint ansoft AR 射频信号源雷达信号发生器安立 LTCC

网站首页 > 技术文库 > 天线 >

学个Antenna：手机天线之宽带匹配原理

2022-01-11 来源：微波射频网作者：94巨蟹座少年字号：大中小

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

摘要：

随着智能手机性能的日臻完善，多摄、快充大电池、高性能散热要求等，不断挤压着预留给天线设计的净空区域。这也使得本就属电小尺寸的手机天线具有更高的Q值，更窄的带宽。因此提高天线输入端口的匹配性能，使得天线总效率接近理论辐射效率，显得尤为重要。

本文先引入一款理解和学习阻抗匹配的“神器”，然后以微带贴片天线为例，用简单的LC匹配网络进行宽带匹配。

本文使用的软件为CST 2018版本

一款理解和学习阻抗匹配的“神器”

来自Bern University of Applied Sciences的博士生Fritz Dellsperger原创的一款Smith圆图软件。简单易用，在阻抗匹配的学习和验证中还是比较有用的！

https://www.advanceduninstaller.com/Smith-V4_1-a64019eca825004160867e4fe3f030ed-application.htm

1. 集总LC匹配：

5.8GHz阻抗(ohm)为100-j100，并电容串电感方式实现匹配

2. 微带线匹配：

示例1中，5.8GHz阻抗(ohm)为100-j100，仅用2节微带线也可以实现匹配

先串联50ohm微带线，使其与匹配圆相交，然后再串联高阻抗微带线即可实现匹配。这里高阻抗微带线其实和电感的特性差不多，原理如下：
由微波工程的微波网络分析一节易得长度为L无耗传输线，其A矩阵为：
当特性阻抗变为高阻抗时，，该矩阵退化为上三角矩阵:
这与串联电感的A矩阵类似：

在上述示例中，5.8GHz阻抗(ohm)为100-j100，除了用2节微带线，一节能不能实现呢？答案是肯定的！

在上面视频中，用了一节125ohm左右的微带线即实现了匹配，从匹配轨迹上来看，其实就是DP1以125ohm在smith圆图上对应的点为圆心，绕着其顺时针旋转。理论上只要在实轴上找到一个阻抗点，使得其到待匹配点和匹配点距离一致，就可以实现单微带线匹配。

窄带贴片天线仿真

下图边馈式贴片天线（采用1mm厚度的FR-4基板），其理论的带宽比较窄。

窄带贴片天线-CST仿真结果(点击小图可看清晰大图）

从左到右依次为CST仿真的S11，Smith圆图，天线的辐射效率和总效率。
可以看出该天线的10dB带宽大致为200MHz（3.44%左右的相对带宽）。
从最右边的效率图可知，除谐振频率附近外，远离中心频率的频段由于没有得到良好匹配，天线的总效率（绿色曲线）迅速下降

宽带匹配方式1

在之前的推文中，我们在文末推荐了清华大学-张志军撰写的Antenna Design for Mobile Devices。其中第二章节就是Antenna Matching，2.2.4的Bandwidth Consideration举了3个拓展频带的集总LC元件匹配方法。

这里将应用Example 2.1的匹配思路（如下图所示）进行带宽的拓展。

如上图所示，谐振中心附近其S11迅速恶化。从图b也可看出，Smith圈比较发散，除谐振频率点在纯电阻线上，其他频点在Smith圆图上则逐渐远离匹配中心，因此S11看起来在1.35GHz左右取到极小值。良好的匹配应该是尽可能将阻抗线（图b黑色曲线）在宽频带内向匹配点处收敛。

如图b所示，High band处于感性区，Low band处于容性区。High band通过并联电容可以向下搬移，Low band通过并联电感可以向上搬移。假设低频需要电感值为，高频需要电容值为，选择合适的，同时满足高频和低频的匹配，以及并联LC电路的谐振频率在待匹配的谐振频率附近，，就能实现下图所示宽带匹配效果。