倒F天线设计经验分享

一、IFA天线理论分析

????????为了改善ＩＬＡ天线难以使用的缺点，在ＩＬＡ天线的基础上再增加一个倒L结构，形成IFA天线，此种天线体积小、易于匹配并具有双极化的特点，而在蓝牙、WLAN以及其他移动终端设备中得到了广泛的使用。

????????关于IFA天线的理论分析可使用等效电路法。虽然IFA天线是由ILA天线演变而来，但是对其分析可使用缝隙天线（slot antenna）的原理，对于如图示的缝隙天线，其辐射条件为缝隙长度L大致为半波长，整个缝隙的周长在一个波长附近。由于缝隙两端是短路的，所以天线两端的电压为0，假定电压在缝隙口上呈正弦态分布，于是电压在缝隙中点也即λ/4处达到最大值。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图：IFA天线等效的缝隙天线模型

????????根据短路传输线理论，电路中的电压与电流在相位上相差90°，于是对于电流来说，其在缝隙中点处为0，在缝隙两端达到最大值。电流与电压在缝隙中分布关系如下图所示。

????????正是依靠电压在整个缝隙上的同向分布，激发了垂直方向上电场的震荡，从而引起了能量的向外辐射。因为在缝隙中点处，电流为0，此处阻抗无限大，当我们将缝隙天线在此处沿垂直方向将天线一分为二后，并将无馈源的右半部分舍弃以后，便形成了如图示的IFA天线。IFA天线末端开路，此处电流为0 ，电压达到最大值，其辐射特性与相对应的缝隙天线相当。

????????????????????????????????????????????????图：缝隙天线演化为F天线结构

????????对上图所示的IFA天线，等效电路可以描述为下图，短路线被等效为一个电感，水平臂与地之间有等效电容存在，此电容的大小将会受到臂长和馈电位置的影响。在适当的馈电位置，我们希望短路端形成的电感和开路端形成的电容可以发生谐振，此时能量通过辐射电阻辐射到空间中。

????????????????????????????????????????????????????????图：IFA天线的等效电路模型

????????在实际使用中因为馈电线的存在，以上的分析需要做些变化，在引入馈电线以后，馈电线本身也有电感存在，如下图示，其中包括了短路臂的并联电感和馈电臂的串联电感，图中标示出的黑色部分为天线的辐射臂，相对于ILA天线，其只是天线的一部分为有效辐射部分，从这个角度看在相同的工作频率下，ILA天线的尺寸可以比IFA天线小。分布电感的大小与馈电线和短路臂的长度相关，也与馈电臂与短路臂之间的距离相关，当两者之间的距离足够小时，产生的电容效应对天线性能的影响也需要考虑。天线臂长增加，分布电容增加，天线馈电臂和短路臂增加后，等效电感增加，这都会导致工作频率的下降。在仿真分析中我们还将对地平面大小对天线性能的影响作出讨论。在我们进行天线设计时需要同时关注两者的变化对工作频率和天线输入电阻的影响。

????????????????????????????????????????????????????????图：IFA天线的另一种等效模型

二、IFA仿真分析

2.1 地平面大小对性能的影响

????????我们从如下尺寸的IFA天线开始观察规格参数对天线性能的影响，其中W1表示天线臂的宽度，L为辐射臂的长度，H为馈电线的高度，S表示馈电线和短路线之间的距离，SUBH为介质层厚度，介质层材料为介电常数为4.4的FR4，orig_x、orig_y为坐标原点位置，tx、ty为基板沿X轴与Y轴的长度，天线的模型和S11参数如图示。

? ????????????????????????????????????????????????????????图：天线模型的尺寸规格

?????????????????????????????????图：初始地平面尺寸30mm*50mm下的S11参数

????????从S11参数看，在2.4-2.5GHz频段内天线S11都在-15dB以下，其谐振频带大致在2.4GHz附近，当我们将基板大小从50mm*30mm增加到50mm*50mm时，如下图示，工作频点向低频段移动至2.3GHz附近，当我们继续增加Y轴向的长度时频点继续下移至2.18GHz附近，可见地平面的大小对工作频点有明显影响，随着地平面的增大工作频点有向低频端移动的趋势。

????????????????????????????????????????????????图：地平面增加至50mm*50mm的S11参数

????????????????????????????????????????????????图：不同地平面大小下的S11参数对比

???????常见的路由产品规格，其大小要大于50mm*50mm规格，从上面结论可以看出，对于大规格的产品为了使IFA天线工作在2.4G附近，其面积相比较于前文提及的规格还可以进一步缩小。在实际使用中，除了天线的工作频点外，我们还关注天线的输入阻抗，恰当的输入阻抗大小可以较为方便的使用，便于匹配调试，以上提及的三种规格下，ＩＦＡ天线的输入阻抗如图示。从图二十二中可以看到，ＩＦＡ天线在三种规格下的输入阻抗都比较适中，其中５０ｍｍ*１００ｍｍ规格下最好，其他两种规格下的输入电阻略高于50Ω。

????????????????????????????????????????图：不同地平面大小下的输入阻抗

????????另外还需说明地平面的大小还将对IFA天线的极化方式产生影响。我们对比三种尺寸规格下的极化比参数PolarizationRatioSphericalTheta，其表示电场在两个垂直极化方向上分量大小的比值。如下图示，从图中可以看到，在XY水平面上30mm*50mm的极化比与其他两种规格下的数值有明显差别，其在Phi=135°附近有一个最大值。同时可观察三种规格下，总电场在水平面内的分布图，如图示，可明显看到30*50mm基板大小情况下的辐射图与其他两种存在较大不同，这表明了基板在较小规格下对方向图也会产生影响。

????????????????????????????????????????????????????????图：不同地平面大小下的极化比

???????????????????????????????????????????????????????图：不同地平面大小下的水平面辐射方向图

2.2?天线臂宽对性能的影响

????????在天线臂宽变化的过程中，可以等效为天线高度H和臂间距S都在发生变化，臂宽增加这两者都在等效的减小，从图可以看到，在臂宽逐渐增加的过程中，工作频点处的谐振深度并不是单调变化的，其先增加然后又减小，所以存在恰当的W值使得谐振深度取得一个最大值。在臂宽变化的过程中工作频点的变化并不是很明显，只是有微小的移动，并且也不是单调变化的。当臂宽增加到4mm时，工作频点开始向高频端移动，主要的原因是此时馈电臂和短路臂之间的间距S变得足够小，此时两臂之间的耦合电容变得明显，并对工作频率产生了影响。

????????????????????????????????????????????????图：不同天线臂宽度下的S11参数对比

2.3?内置插件型IFA

????????IFA天线除了印制版本外还可以制作成插件类型，其基本的形状与印制版本是一致的，关键的规格参数依然是天线高度h，短路臂与馈电臂间距s，辐射臂长l，只是对于插件类型的IFA天线还需要考虑天线材料的厚度d和禁铺区的大小，本小节将主要围绕这些变量来讨论插件天线的辐射性能。

????????????????????????????????????????????????????????图：内置插件型IFA天线模型

????????首先我们将查看激励方式的不同对仿真结果带来的影响，如下图示，图中显示了使用Driven Modal和Driven Terminal两种激励方式下S11参数的对比，从对比数据可以看到两者结果十分接近，查看了远场的辐射特性得到了相似的结论，两者在仿真结果上并没有太大的差别，但是考虑到Driven Modal激励下将高次模式也并计算在内，在天线仿真中其结果应该较Driven Terminal更为准确，所以我们在实际中优先使用Driven Modal模式。

????????????????????????????????????????????????图：不同仿真激励下的S11参数对比

????????天线高度h、辐射臂长度l以及馈电臂与短路臂之间的间距s三者的大小与工作频率的关系与印制状态下有相同结论，即天线高度增加，天线臂长增加以及两臂之间间距减小，天线的工作频点都将降低，反之工作频点将会升高。在我们将天线材料从PEC更改为青铜（BRONZE）以后，其性能参数没有发生明显变化，输入阻抗和天线效率的仿真结果也没有发射明显变化，当我们将天线材料换为具有介质特性的非磁性材料时（epsilon介电常数=9.4），天线的工作频点向上移动至2.9GHz左右，而当我们将天线材料更换为磁性材料铁时（mu电导率=4000），其工作频点向低频端移动至2.4GHz附近，可见当天线材料在介质材料和磁性材料之间变化时，其工作频点会随之变化。通常我们使用的天线材料为磁性较弱的合金材料，当材料变化时，如果其电磁参数发生了较大的变化，仿真中需要注意选用适当的电磁参数材料。

????????对于IFA天线需要考虑的另一个因素是材料的厚度，通常情况下为了保证天线有一定的抗变形的能力，所用的器件厚度是要大于金属的趋肤深度的。从图中可看到，在器件的厚度规格在0.1~1mm之间变化时，随着厚度的增加，天线在工作频点处的谐振深度减小，这可以理解为天线的耗散功率在增加，Q值在减小，相应的工作带宽有略微的增加。但是厚度为0.4mm和0.7mm时，他们之间的差距并不明显，大大小于0.1mm与0.4mm之间的差距，这主要是因为金属的厚度较小时，与其趋肤深度可比，此时损耗随着厚度的增加而显著增加，当厚度大于趋肤深度时，增加的厚度中并没有明显的位移电流和传导电路存在所以损耗并不会显著增加，随着厚度的进一步增加，金属器件的表面积有了明显的变化此时面电流和位移电流增加，损耗也随之开始增加。

????????????????????????????????????????????????图：不同材料厚度下，天线S11参数的对比图

从图中可以看到，在材料厚度变化的过程中，天线的输入阻抗也有细微的变化，在厚度为0.4mm附近时天线得到了一个比较合适的输入阻抗。

????????????????????????????????????????????????图：不同材料厚度下天线输入阻抗对比

????????当我们将IFA插件天线向内移动并添加净空区以后，天线在XY面上的辐射覆盖将会有所改善，相较于之前的水平面辐射图其在0-180°半平面内的辐射覆盖性有所改善，但是在30°和-60°附近分别有一个辐射盲区，这两个地方因为大面积金属地平面的存在影响了辐射的完整性，在实际使用中这也是通常会遇到的问题。在进行PCB布局布线时，我们希望可以得到完成的地平面和尽量小的净空区，天线可设计的空间面积被压缩，我们需要在有限的空间范围内尽量的提高天线的整体性能。但这个看似已经改善的性能在这里需要额外增加匹配电路才会有意义，因为当增加净空区以后，天线的工作频点发生了变化，其向低频端移动至2.4GHz以外，其在2.45GHz的输入阻抗达到了300Ω以上。如果这种变化太大，无法通过匹配手段解决那么天线则很难在实际中使用。

?????????????????????????????????????????????图：天线增加净空区以后的水平面辐射方向图