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蛇形板载天线是无线通讯模块应用最广泛的一种天线类型，应用在蓝牙、WiFi、ZigBee等对性能要求不高、但对空间要求比较高的领域。作为天线工程师，每次给前端电路工程师调试设计天线的时候都会好奇的问到：为啥这个天线要搞成这个形状？为什么要选择性的layout在PCB板的某些区域？: f2 n$ ^! m1 Q9 f6 H" d
' Y3 i( ~3 T7 u7 |5 N其实我们在做板载蛇形天线设计并没有这些说法，抓住其基本原理，然后可以根据板载所给净空区、结合天线周围环境如金属、大电容、电感、屏蔽罩等实际情况，天马行空的“作画”满足设计要求即可。
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$ e, E6 j& T" m( b) W% L一、原理
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3 y2 z2 o" J2 }1、蛇形天线的电流分布如下图所示：1 m/ a# u6 e. ?' g0 U( X4 C2 \" r( v
4 n# g- E% K% V; y2 p+ V通讯模块板载天线设计的原理以及方法
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1 z& s& P9 A; q1 b- q+ U图1 蛇形天线电流方向分析
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4 Q0 c8 w& ]9 B* `: O* V- ]从图中可以看出、蛇形走线的相邻两个折弯上电流大小相等、方向相反；从电磁场产生的原理，如果蛇形走线相邻两个折弯无限靠近时，电磁辐射完全抵消，不对外辐射能量，增益很差。故在设计走线的时候一定要结合给定的天线“净空区”平衡天线面积与小型化要求，不能没有原则的退让，以牺牲天线的增益来换取产品的美观。 ]/ d3 U' h9 ?" f& |, L
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2、当前常见的蛇形天线主要有以下几种，如图：
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通讯模块板载天线设计的原理以及方法
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* K$ K! M. o( y0 j7 O1 N图①、②为普通的单极蛇形天线。图③为带寄生的蛇形走线，寄生单元可以增加带宽。图④为单极蛇形的变形-倒F天
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" D/ U2 Q, M' x. j二、实例设计演示+ V; {/ W( \5 t1 Z8 L: J
) R7 i1 U2 s! u' X+ o5 r7 j现在我们以B类结构为例，来简单的设计一个2.45GHz的B类天线结构模型，天线每一段的弯折情况及个段的结构如下：
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. p1 X6 H, }% O( z0 F! [1 A通讯模块板载天线设计的原理以及方法
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图3 天线初始尺寸设置7 @: N' F* q5 H+ F2 L+ N: w& m N
% v4 s* c0 Z$ Y. y9 I! vHFSS模型建立要注意，由于本文所设计的为单极子天线，因此设计中要充分考虑地平面对天线的影响，地平面需要有足够大的面积，以使得天线能够获得较好镜像，实现f射，模型如下：! {1 D, a$ ]' p: _5 c1 U
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通讯模块板载天线设计的原理以及方法
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! W' a/ t& f4 T2 l- {图4 HFSS模型3 l# B( y4 ?3 K2 |
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回波损耗S11仿真：
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, F) @5 j# b1 C" Y6 x \& v% m通讯模块板载天线设计的原理以及方法. P2 G7 d) P) P7 Q: S8 q
& [6 k: m A7 d! Y& C* B( r. K图5 S11仿真结果
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. H7 u' ^! g+ L! ?, G4 A/ s从仿真图中可以看出，S11的仿真结构是比较好的，完全可以达到2.45GHz的工作频段和带宽要求。可能有的朋友会有疑问，因为有些朋友是天线的初学者或者经验不足，可能设置初始尺寸时经验不足，从而导致初始尺寸的仿真结构较差，比如工作频点与预期的偏差较大，S11太大等等，这些情况都是存在的。现在我们就来分析下出现这类情况的时候我们应该怎么来解决：
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9 Z8 v K6 C1 \9 [: p9 T1 e1、工作频点调整! y( ^2 V: p M. O* [9 R3 o
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天线的谐振频段是由天线的有效电流路径长度决定的，因此要调整工作频段，就要考虑从天线的物理长度入手。
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通常，我们设计中需要在蛇形天线的末端预留一段用变量表示的枝节，如下图所示最右端所标示长度为L的枝节，做优化时，只需要简单的改变此段长度即可，例如，我现在在刚刚建立的模型上做一个示例，令L分别等于1.5mm，2mm，2.5mm和3mm时，来求解其对应的工作频段，求解结果如下：
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D0 r& V* S Y2 B# {; _通讯模块板载天线设计的原理以及方法$ s6 q! u- Z2 [+ _$ w
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图6 L的长度对谐振频点的影响
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" z9 p# t7 Z# b# I# {2 A/ D% Z从图中看到，L变化时，天线的谐振频点也会产生非常明显的变化，随着L减小，天线的谐振频率随之下降。
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2、 S11改善
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S11的决定因素是天线的输入阻抗，通常，单极子天线默认的输入阻抗为50欧姆，当所设计的天线输入阻抗无限接近50欧姆时，则S11将逼近无限小，反之，当输入阻抗偏离50欧姆时，则S11将变差，换句话说，输入阻抗偏离50欧姆越大，则S11越差。对于本文中所设计的天线结构，如下图所示的L2短路枝节，可以通过调整L2的长度来改变天线在2.45GHz频段上的输入阻抗大小，进而调整S11参数。我现在在模型上做一个示例，令L2分别等于4mm，4.5mm，5mm，5.5mm和6mm，来看其对应的S11的值，仿真结果如下：
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3 Z8 M9 l9 T6 H, a通讯模块板载天线设计的原理以及方法
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7 m8 o& ]0 I) ~$ m- L* G5 S1 c图7 短路枝节L2对S11的影响
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从图中看出，L2长度发生变化时，天线的谐振频率几乎保持不变，但是S11却有非常明显的变化，随着L2长度增加，S11逐渐变好。因此实际设计中，可以通过调整短路枝节来改善S11参数。蛇形天线的结构多种多样，各位朋友一定要打开思路，尝试不同的弯折方式，将会收获意想不到的结果。 |
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发表于 2025-10-17 17:39:22
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