学个Antenna：WiFi双频金属中框天线

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。原文链接：学个Antenna：Wi-Fi双频金属中框天线 - RFASK射频问问

​摘要：

学个Antenna：手机天线入门对手机天线的类型进行了科普，学个Antenna：手机天线之宽带匹配原理也用实例让读者了解LC匹配网络的应用。本次推文则通过一个简单金属中框天线的仿真实例对电小天线模式分析-组合法和LC复杂匹配网络进行阐述。

本文使用的软件为CST 2018版本

复杂匹配理论

在上次推文学个Antenna：手机天线之宽带匹配原理中，我们利用并联LC匹配实现了窄带微带贴片天线的频带拓展！

优化匹配前后对比：

​

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。

其实现的原理就是根据低频和高频在Smith圆图的阻抗位置不同，利用LC电路的选频特性进行高低频的匹配。下面我们对其实现原理进行理论上的阐述：

​

对于串联LC电路，其低频

​呈现容性，高频

​呈现感性（不考虑电容和电感的自谐振效应），对于并联LC电路，其低频

​

呈现感性，高频

​呈现容性。

假设串联LC的低频等效电容值为

​

，高频等效电感值为

​，频率单位为

​，则整个阻抗关系可有以下阻抗矩阵表述：

​同理可得，假设并联LC的低频等效电感值为

​

，高频等效电容值为

​

，频率单位为

​

，则整个导纳关系可由以下导纳矩阵表述：

​

上述两组矩阵方程的待求的

​和

​则可通过矩阵求逆计算得出：

​比如要实现低频

​呈现

​，高频

​呈现

​。通过计算可求得：

​带入到CST circuit建模仿真可得：

CST Schematic仿真结果

从上面仿真结果可知低频

​

，高频

​

，可通过公式反推此LC串联电路可等效的电容和电感值分别为：

​

LC并联电路的计算也是同理。

金属中框手机天线

金属中框手机天线案例：

​

上图为实用新型专利授权说明书CN202021374711.2中的一种GPS-WIFI二合一的金属中框手机天线示意图。知乎上有篇关于金属中框天线的阐述答文：

金属边框天线设计主要是利用金属边框做为天线的一部分进行辐射，这种方式一般只有以下几种天线形式：IFA、Monopole、Loop。 https://www.zhihu.com/question/35063849?sort=created

在手机天线的实际调试中，一般采用模式分析-组合法进行天线设计。由于手机内部所需频带比较宽，因此单天线实现多频谐振的需求就应运而生。

下图是一个金属中框手机天线模型，为了简单起见，整个金属中框开了一个断口，并且在机身拐角处采用了单馈电点进行激励。

​

​

CST-金属中框手机天线模型

当1端口激励时，其仿真结果如下图所示。左图为激励状态下，两种辐射模式的电流路径图示：绿色的为IFA的1/4波长模式，红色为Monopole的1/4波长模式。按照预先的设计思路可以在此处实现WIFI 2.4G/5.8G双频。

CST时域仿真求解器

​

从上到下依次为CST仿真模型俯视图，S11和Smith阻抗圆图。

从上面仿真结果来看，WIFI 2.4G匹配较差，WIFI 5G的Smith圈比较收敛。从阻抗圆图（最右边的图）来看，有人肯定第一反应是WIFI 2.4G串联电感上去，WIFI 5G串联电容下来，用LC串联电路实现。可是理论上LC串联只能实现低频等效为电容、高频等效为电感的特性，上述思路不行！

于是换一个思路，先通过LC电路将WIFI 2.4G搬移到感性区，WIFI 5.8G搬移到容性区：先并联一个电感（蓝色虚线所示），再串联一个电容（绿色虚线所示），如下图所示：

​

​

左图为匹配前Smith圆图

右图为并联电感-串联电容后的Smith圆图

到这一步就可以采取上一推文的串联LC电路实现高低频的分别匹配了：

LC匹配后的仿真结果

​

从上到下依次为整个匹配所采用的LC网络示意图，S11和Smith阻抗圆图。

中间两个串联电容可以用一个0.26pF电容进行简化。

LC匹配前后的结果对比

​

从左到右依次为匹配前后的S11，Smith阻抗圆图和天线总效率对比图。

*本文的图片部分来自互联网和CST仿真软件结果，致谢Markdown Nice提供的公式排版服务

作者：微波天线工程师

来源：学个Antenna：Wi-Fi双频金属中框天线 - RFASK射频问问

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