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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
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)
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。
并联LC电路的输入阻抗如下图所示,可以看出低频呈现感性,高频呈现容性,理论上同时实现低、高频的匹配。
在利用并联LC元件拓展带宽前,先增加贴片天线馈线宽度,使Smith圈靠低阻区挪动,便于后续的匹配设计。
下面按上述方法,增加并联LC匹配电路,可以看出10dB带宽拓展到了400MHz。
宽带匹配方式1:并联LC电路(点击小图可看清晰大图)
优化匹配前后对比:(点击小图可看清晰大图)
从上图可以看出,谐振中心频带得到拓展,而边带的天线总效率则会随着偏离谐振中心进一步急剧下降。
下期预告:复杂匹配网络在手机天线的应用实例。
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本期原创工程师:94巨蟹座少年
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