利用模拟分析设计基板天线

天线主要功能是将缆线与print pattern传来的电气信号转换成电波释放至自由空间，或是捕捉漫游在自由空间的电波并转换成电气信号，因此对通信电子产品而言，天线是非常重要的元件。天线设计涉及放射特性、beam宽度、等化等诸多要素，加上必需反覆不断的进行cut与try，特性量测时还需大费周章架设电波暗室、oven sit等设备，因此工程师都将天线设计视为畏途。由于模拟分析技术相当进步，尤其是电磁界模拟分析经过整合后，已经可以分析print pattern构成的天线特性(亦即所谓的基板型天线)。因此本文要介绍如何利用模拟分析，探讨负责电波输出入的基板型天线动作机制与设计技巧。设计重点
如图1所示基本上天线是将特性阻抗(impedance)Z0的回路与空间整合(matching)的电子元件，因此良好的整合可使高频电力变成电波高效率释放至自由空间，并与远方的收信机进行交信，同时还可接收远方传来的微弱电波。

设计天线必需根据系统要求的放射特性、容许形状、容许大小等要件选择天线的型式，接着利用模拟分析或是实际试作修改缺失，才能决定天线最终的形状与大小。
　

图1 天线的基本动作原理
　

目前已商品化的高频通信系统，几乎都是使用频宽极窄的高频信号进行送、收信，设计这类天线时必需把握下列两项要点，分别是:
①利用中心频率使其共振，而且reactance成份必需为0。
②信号输入至天线的点必需是传输线路的连接点(供电点)与阻抗、传输线路作妥善的整合(matching)。

 Monopole天线的模拟分析
图2是典型的基板型天线的外形。基于市场的需求无线电通信设备不仅是电路日益小型化，即使天线也朝向小型化方向发展，因此将小型天线设计在电路基板内的情况有增加的趋势，照片1是晶片化天线(chip antenna)封装后的外观。
　

(a)晶片型多层天线　　　　　　(b) 晶片型诱导体天线　　　　　　(c)蓝芽用陶瓷patch天线

照片1 晶片化天线的外观
　

图2 典型的天线外观
　

接着以图2(a)结构最简易的Monopole天线为例，并利用电磁界模拟分析软体S-NAP/Field(LE)说明基板型天线的设计技巧。图3是12.5GHz Monopole天线，长约λ/4的prints pattern一边呈开放状，印刷基板厚度为0.8mm，诱电率为2.2，印刷基板的背面呈自由空间状态，print pattern的尺寸为1.0mm(宽)×4.75mm(长)。
　

图3 利用单层基板制作12.5GHz Monopole天线
　

图4是根据电磁界模拟分析软体S-NAP/Field(LE)分析后，获得的天线输入阻抗频率特性与return loss特性。由图4(a)可知，marker 1为12.5GHz时，reactance成份会变成0，该频率会使天线会产生共振，此时阻抗值大约是50Ω。由图4(b)可知12.5GHz时return loss大约是21.6dB，输出至天线的电力反射低于1%，根据模拟分析求得的天线特性，12.5GHz时的放射效率大约是99.3%，也就是说实际上可将这种接近无反射现象，视为输入电力全部释放至自由空间。
　

(a)输入阻抗的频率特性
　

(b) return loss的频率特性

图4 12.5GHz Monopole天线模拟分析后的
输入阻抗与return loss的频率特性
　

‧放射特性分析
图5是频率为12.5 GHz时的print pattern表面的电流分佈状况；图6是利用上述模拟软体分析放射特性获得的结果。由图5可知由于print pattern呈开放状，因此电流值为0；此外根据图6的放射特性结果可知，电波是以天线为中心轴呈圆环状放射，沿着print pattern的轴心方向几乎无电波放射。根据以上结果获得一项结论，那就是利用模拟分析可从任意角度观察电波放射状况。
　

图5 Monopole天线利用模拟
分析后的电流分佈状态
　

图6 Monopole天线模拟分析后的放射特性
　

‧print pattern的宽度与共振频率的关系
若设计类似图2(a)所示的Monopole天线时，天线长度就成为设计重点，因为天线的长度决定天线的共振频率，亦即天线的适用频率；相较之下print pattern天线的场合，print pattern的宽度则比长度重要。为了解print pattern的宽度对天线会产生那些影响，因此利用上述模拟软体进行分析。此处假设图2(a) print pattern的宽度从1.0mm变成图7的0.25mm；图8则是模拟分析后获得的阻抗特性与return loss特性。图9与图10分别是频率为12.5GHz时的print pattern表面的电流分佈状况与电波放射特性。

由图8(b)可知，print pattern宽度一旦变窄，共振频率也随着降低；如果图8(a)的阻抗特性与图4(a)比较时，print pattern宽度一旦变窄，轨迹会变长拖延整体并朝向阻抗成份较低的方向移动，该影响造成图8(b)的return loss整体恶化3～4dB，电流分佈状况与电波放射特性则无明显改变。
　

图7 改变Monopole天线的pattern宽度
　

(a)输入阻抗的频率特性
　

(b)return loss的频率特性

图8 Monopole天线的输入阻抗与return loss频率特性
　

图9 Monopole天线的电流分佈
　

图10 Monopole天线的放射特性
　

‧天线未整合的场合
接着以图2(d)的Micro Strip天线为例，利用上述电磁界模拟分析软体S-NAP/Field(LE)说明天线的设计技巧。此处共振频率为9.75GHz，使用双层基板的厚度为0.8mm,诱电率无2.2，基板的背面为ground面。

图11是本Micro Strip天线的print pattern，图中央四方形是天线本体。图12是模拟分析后获得的天线输入阻抗与return loss的频率特性，由图可知若只是单纯将特性阻抗为50Ω的传输线路连接，并无法作matching。由于9.75GHz的return loss大约是1dB，因此输入至天线的电力几乎都被反射折返，根据模拟分析结果显示9.75GHz的放射效率只有20%，这意味着本天线几乎无法高效率捕捉自由空间内的电波。
　

图11 未经整合的micro strip天线
　

(a)输入阻抗的频率特性
　

(b)return loss的频率特性

图12 天线的输入阻抗与return loss频率特性
　

‧整合调整
如上所述由于本天线无法有效捕捉电波，因此必需作整合性调整，如图11所示具体方法是在天线50Ω传输线路连接处设置切口进行整合性调整。图13是调整后的print pattern；图14是调整后的天线输入阻抗与return loss的频率特性。

如图14(a)所示marker 1是9.75GHz的阻抗(impedance)，由图可知，在9.75GHz附近就会产生共振，而且阻抗也变成50Ω左右。由图(b)可知，9.75GHz的return loss大约是27dB，输入至天线的电力反射则低于0.2%而且未发生反射，这意味着输入至天线的电力几乎全部释放至自由空间。利用模拟分析求得的天线放射效率，9.75GHz时为99.8%，这与图11的天线有极大差异，显然上述的整合调整已经获得预期效果。图15是频率为9.75GHz时 print pattern表面的放射特性。虽然上述天线是利用粘贴print pattern方式作整合性调整，不过在传输线路端追加设置元件，进行与一般电路同的微调手法并非特殊案例。
　

图13 经过matching改善的micro strip天线
　

(a)输入阻抗的频率特性
　

(b)return loss的频率特性

图14 Monopole天线的输入阻抗与return loss频率特性
　

图15 天线的放射特性
    结语
如上所述天线是通信设备不可或缺的重要元件，随着小型化的时代潮流需求，基板型天线已经成为市场主流，由于模拟分析软体的进步，工程师可透过模拟分析进行各种基板的设计与评估。