印刷倒F天线的具体设计过程及注意事项

一、天线设计简介

天线的具体设计过程和原理，天线多频的实现方法，如何使用电容、电感等集总原件来匹配和改善天线的性能，将自己的天线经验无保留的分享给大家，包括常见的如：蛇形天线、倒F天线、PIFA天线、LOOP天线、缝隙天线和边框天线等结构的原理和设计方法。

学天线的初期需要掌握至少一款电磁仿真软件，比如HFSS，CST，ADS等，个人建议学习HFSS，因为网络容易找到一些教程，有利于自己的学习和提升。废话不多说，先来讲一讲倒F天线的原理，设计一款天线，首先要明确基本的设计指标，也就是期望的工作频段，因为工作频段直接决定了天线的尺寸。如果是印刷天线，还要考虑介质板的介电常数和损耗角正切值，这里我只讲介电常数的影响，损耗角正切值会在后面将会讲解。

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例如，现在要求设计一款工作在2.412GHz–2.472GHz（wifi 11n协议）的板载行wifi印刷天线，采用FR4介质，要求增益大于1.5dBi，电压驻波比VSWR<2。先来看一看印刷倒F天线的基本结构，如下图：

印刷倒F天线主要有三个主要的结构参数，即天线的谐振长度L，天线高度H和馈点到接地点间距S（如图中），其中，谐振长度L用于调整天线的工作频率，越短则频率越高；天线高度H可用于调整天线的带宽，H越大，带宽则越大；S则用于调整天线的输入阻抗，S越小，阻抗越大，换句话说，S可以直接用于调整天线的VSWR性能。

二、设计过程

下面看具体的设计过程：

第一步，先计算天线的基本尺寸，以2.45GHz作为中心频点，则对应的自由空间波长：

lambda0 =v/f=122mm，其中v为光速，f为需要的频率；

第二步，计算单极子天线的长度，这里要注意，通常板载天线使用的都是单极子天子，单极子天线通常采用四分之一个波长，而偶极子天线采用半个波长或一个波长(相关知识可以在百度上搜索，这里不做过多的重复)，因此，对应的单极子天线长度为 ：

1/4*Lambda0=30mm;

第三步，需要考虑FR4介质板对天线的影响，作为印刷天线来讲，天线一面蚀刻在介质板上，另一面裸露在自由空间中，因此，天线的实际长度还会收到介质板介电常数的影响，当天线完全处于介质中时，其波长：

Lambdae = Lambda0/(e^0.5)(e表示介电常数)

对于印刷天线来讲，由于其一半在空气中，一半在介质板上，因此它的长度介于 四分之一个介质波长和四分之一个自由空间波长之间，设计中暂时取中间值，根据上面的计算，四分之一个介质波长为1/4*122/(4.4^0.5)=15mm，因此，可取天线的初始长度为22mm。根据上图来看，初始长度即为 天线高度H和谐振长度L的和，我们可以自己定义 H=5mm，L=17mm，S=5mm，天线宽度W=1mm，采用HFSS建立三维仿真模型(具体的建模过程可向作者咨询)，建立的模型如下：

根据初始尺寸进行仿真，得到如下结果：

从S11参数来看，天线的工作频率覆盖了2.3G–2.6G(S11<-10)，达到了我们预期的设计要求，下面我们来看一看L，H和S对天线性能的影响，如下图：

取L1=17mm，L2=16mm，L3=15mm；H1=5mm，H2=5mm，H3=3mm；S1=4mm，S2=5mm，S3=6mm，从以上的仿真结果，可以非常清晰的看到三个主要常数对天线性能的影响：即谐振长度L用于调整天线的工作频率，越短则频率越高；天线高度H可用于调整天线的带宽，H越大，带宽则越大；S则用于调整天线的回波损耗S11性能。具体的影响效果总结如下：

需要特别注意的是：单极子天线是依赖于地平面而存在的，通过镜像产生的天线效应，受地平面面积的影响较大，所以一旦确定了天线，尽量不要不要改变地平面的面积，否则天线需要重新仿真设计。具体的大家可以自己仿真尝试分析。