2.4G板载PCB IFA天线仿真设计

❝本次推文简单介绍下2.4GHz的板载PCB IFA天线的HFSS仿真与设计。

PCB板载天线

PCB（Printed Circuit Board）板载天线是现代电子设备中用于无线通信的一种关键组件，它直接集成在电路板上，而非独立安装。这种类型的天线设计主要用于那些对空间有严格要求的便携式或小型化设备，如智能手机、平板电脑、物联网（IoT）设备、可穿戴技术、汽车电子系统和各种无线传感器网络。

特点与优势

1. 紧凑性：PCB板载天线因其小巧的体积而闻名，非常适合空间受限的设备。它们可以设计成各种形状和尺寸，以适应不同电路板布局的需要。

2. 成本效益：与外置天线相比，板载天线减少了组装成本和物料清单（BOM）成本，因为它们不需要额外的安装过程或外部连接器。

3. 性能与可靠性：通过精心设计和优化，PCB天线可以实现良好的辐射效率和所需的增益，同时减少信号干扰和衰减。它们通常具有稳定的性能，因为它们不易受到机械损伤或环境因素的影响。

4. 定制化：板载天线可以根据特定的频率范围、带宽要求和辐射模式进行定制设计，以满足特定应用的需求。

主要类型

PCB板载天线的设计多种多样，常见的类型包括：

• 单极子天线（Monopole Antenna）：通过调整天线臂的长度来控制谐振频率。

• 倒F天线（Inverted-F Antenna）：通过调整天线臂的长度、宽度以及短路臂的尺寸来控制谐振频率和阻抗匹配，适用于需要紧凑设计的场合。

• 环天线（Loop Antenna）：环天线的尺寸和形状会影响其工作频率和带宽，其倾向于在垂直于环平面的方向上发送或接收信号，这在某些通信场景中是很有利的。

• 微带贴片天线（Patch Antenna）：具有较高的方向性和增益，适合需要定向辐射的应用。

倒F天线的演变

1. 单极子天线（Monopole Antenna）

单极子天线是最基本的天线类型之一，由一根直立的金属棒构成，下端连接到馈线和接地平面。单极子天线的长度通常是工作波长的四分之一，以实现最佳辐射效率。然而，这种天线的尺寸往往较大，不适合空间受限的现代移动设备。

2. 倒L天线（Inverted-L Antenna）

为了解决单极子天线尺寸过大的问题，倒L天线应运而生。它形似字母"L"的倒置，能够在较小的空间内实现与单极子天线相似的性能，同时保持良好的辐射效率。这种设计通过降低天线的整体高度，使其更适合作为移动通信设备中的内置天线。

3. 倒F天线（Inverted-F Antenna，IFA）

倒F天线进一步优化了倒L天线的设计，以实现更紧凑的尺寸。IFA天线在倒L天线的基础上，增加了一条连接到地的短路臂，形似倒置的字母"F"。在倒F天线中，新增短路臂这一设计相当于在原有的倒L天线基础上并联了一个电感。电感的存在改变了天线的阻抗特性，通过调整这个电感的大小（即短路臂的长度和位置），可以有效地控制天线的谐振频率，同时在无额外电路元件的情况下，也可以进一步优化天线的阻抗匹配。

4. 蛇形倒F天线（Meander Inverted-F Antenna）

随着对更小尺寸和更宽频带天线需求的增加，蛇形倒F天线的概念被提出。蛇形天线通过将天线臂设计成曲折的蛇形结构，可以在有限的空间内增加天线的有效电长度，从而实现与较长直立天线相当的性能。当这种设计理念应用于IFA天线时，蛇形倒F天线就诞生了。它结合了IFA天线的紧凑性和蛇形天线的尺寸优化特性，不仅保持了良好的辐射效率，还在体积上进一步缩小，特别适合集成到空间极为受限的现代电子设备中。

从单极子天线，倒L天线，再到倒F天线，蛇形倒F天线，这一系列演变体现了天线设计在应对不断变化的技术需求时的创新与进步。这些天线类型的发展，不仅推动了无线通信技术的前进，也为现代电子设备的微型化和多功能化做出了重要贡献。

蛇形倒F天线HFSS仿真

设计PCB板载天线时，工程师通常使用电磁仿真软件来优化天线的性能，预测其在实际环境中的行为。这包括分析天线的增益、效率、辐射方向图和阻抗带宽等，确保天线在特定的工作频率范围内表现良好。

本次仿真实例要求：1.6mm的FR4板材，PCB尺寸40mm*65mm，天线布局净空：40mm*15mm，工作频段2.4GHz~2.5GHz，S11<-10dB。

建模

在高速射频线路设计中,PCB馈线往往采用CPW（‌Coplanar Waveguide）‌，‌也称为共面波导传输线结构，由中央的信号馈线和两侧的接地平面构成。‌这种结构主要应用于射频电路、‌射频信号线和微波信号线。‌如下图所示是一个CPWG（‌Coplanar Waveguide with Ground Plane）‌结构示意图。

因此我们首先根据设计要求计算50欧姆对应的CPWG馈线宽度（选取GSG之间的间隙为0.2mm）：1.1mm

首先我们画取一小段馈线，以及一个集总端口面，并在周围打上一圈接地孔。为了减少网格剖分，提升仿真速度，圆柱体的Number of segments设置为4。

然后用line绘制辐射臂和短路臂的1D路径，最后可以在CreatePolyline里将line变成实体box。馈线、辐射臂、短路臂都设置为copper或者pec材料。

边界条件

点击Draw Region，选择Absolute Offset，填入2GHz的1/4波长，并将Region设置为Radiation边界条件。

激励设置

Pick端口面，设定为50Ω集总端口激励。

仿真结果

设置求解频率为2.4GHz，fast扫频范围为2~3GHz。因为设置的参量并不能保证谐振频率正好落在带内。因此，我们可以将求解频率范围扩大一些。根据仿真结果来决定是否加长/减少弯折枝节及其弯折长度、间隙。

当我们拓宽求解频段为1~4GHz时，发现天线长度过长，谐振频率低到了1.3GHz。因此，我们可以缩短弯折间隙或者降低天线离地面的高度等操作来修正谐振频率。

性能优化

手动修正频偏有时候太费时间了，我们可以在hfss中设置optimization，晚上开启HPC多线程跑起来，早上看结果！在设置optimization前需要先勾选将待优化的设计变量，并确定每个变量的优化范围。

这里将2.45GHz的S11(dB)设置为优化目标。因为仿真模型比较简单，因此HFSS优化器的迭代优化过程比较快，优化的结果如下所示：

工程设计的时候，实物测试和仿真往往由一定频偏。这时候，可以考虑在天线馈线处放置一个π型匹配网络便于后期的阻抗匹配。不需要的并联位和串联位可分别NC或者串联一个0R电阻。

思考(ˇˍˇ)

用于无线通信中的板载天线，其正向传输方向的增益对系统的最大通信距离影响比较大。因此，只是简单地调试S11并不能有效地增大其通信裕量。因此，针对不同板型和电磁环境的PCB板载天线，需要结合实际通信指标进行电磁仿真，从而综合出较优的天线形状。

可以尝试定性分析不同尺寸的地板、不同类型的天线可能对最大通信距离产生的影响。

作者：微波天线工程师