學(xué)個Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識以及各類天線的原理簡介、仿真軟件建模、設(shè)計、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：

學(xué)個Antenna：手機(jī)天線入門對手機(jī)天線的類型進(jìn)行了科普，學(xué)個Antenna：手機(jī)天線之寬帶匹配原理也用實例讓讀者了解LC匹配網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。本次推文則通過一個簡單金屬中框天線的仿真實例對電小天線模式分析-組合法和LC復(fù)雜匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行闡述。

本文使用的軟件為CST 2018版本

復(fù)雜匹配理論

在上次推文學(xué)個Antenna：手機(jī)天線之寬帶匹配原理中，我們利用并聯(lián)LC匹配實現(xiàn)了窄帶微帶貼片天線的頻帶拓展！

優(yōu)化匹配前后對比：(點擊小圖可看清晰大圖）

從上圖可以看出，諧振中心頻帶得到拓展，而邊帶的天線總效率則會隨著偏離諧振中心進(jìn)一步急劇下降。

其實現(xiàn)的原理就是根據(jù)低頻和高頻在Smith圓圖的阻抗位置不同，利用LC電路的選頻特性進(jìn)行高低頻的匹配。下面我們對其實現(xiàn)原理進(jìn)行理論上的闡述：

對于串聯(lián)LC電路，其低頻呈現(xiàn)容性，高頻呈現(xiàn)感性（不考慮電容和電感的自諧振效應(yīng)），對于并聯(lián)LC電路，其低頻呈現(xiàn)感性，高頻呈現(xiàn)容性。

假設(shè)串聯(lián)LC的低頻等效電容值為，高頻等效電感值為，頻率單位為，則整個阻抗關(guān)系可有以下阻抗矩陣表述：

同理可得，假設(shè)并聯(lián)LC的低頻等效電感值為，高頻等效電容值為，頻率單位為，則整個導(dǎo)納關(guān)系可由以下導(dǎo)納矩陣表述：

上述兩組矩陣方程的待求的和則可通過矩陣求逆計算得出：

比如要實現(xiàn)低頻呈現(xiàn)，高頻呈現(xiàn)。通過計算可求得：

帶入到CST circuit建模仿真可得：

CST Schematic仿真結(jié)果

從上面仿真結(jié)果可知低頻，高頻，可通過公式反推此LC串聯(lián)電路可等效的電容和電感值分別為：

LC并聯(lián)電路的計算也是同理。

金屬中框手機(jī)天線

金屬中框手機(jī)天線案例：

http://www.mweda.com/mwqa-9144-1.html

上圖為實用新型專利授權(quán)說明書CN202021374711.2中的一種GPS-WIFI二合一的金屬中框手機(jī)天線示意圖。知乎上有篇關(guān)于金屬中框天線的闡述答文：

金屬邊框天線設(shè)計主要是利用金屬邊框做為天線的一部分進(jìn)行輻射，這種方式一般只有以下幾種天線形式：IFA、Monopole、Loop。

https://www.zhihu.com/question/35063849?sort=created

在手機(jī)天線的實際調(diào)試中，一般采用模式分析-組合法進(jìn)行天線設(shè)計。由于手機(jī)內(nèi)部所需頻帶比較寬，因此單天線實現(xiàn)多頻諧振的需求就應(yīng)運(yùn)而生。

下圖是一個金屬中框手機(jī)天線模型，為了簡單起見，整個金屬中框開了一個斷口，并且在機(jī)身拐角處采用了單饋電點進(jìn)行激勵。

CST-金屬中框手機(jī)天線模型

當(dāng)1端口激勵時，其仿真結(jié)果如下圖所示。左圖為激勵狀態(tài)下，兩種輻射模式的電流路徑圖示：綠色的為IFA的1/4波長模式，紅色為Monopole的1/4波長模式。按照預(yù)先的設(shè)計思路可以在此處實現(xiàn)WIFI 2.4G/5.8G雙頻。

CST時域仿真求解器(點擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為CST仿真模型俯視圖，S11和Smith阻抗圓圖。

從上面仿真結(jié)果來看，WIFI 2.4G匹配較差，WIFI 5G的Smith圈比較收斂。從阻抗圓圖（最右邊的圖）來看，有人肯定第一反應(yīng)是WIFI 2.4G串聯(lián)電感上去，WIFI 5G串聯(lián)電容下來，用LC串聯(lián)電路實現(xiàn)。可是理論上LC串聯(lián)只能實現(xiàn)低頻等效為電容、高頻等效為電感的特性，上述思路不行！

于是換一個思路，先通過LC電路將WIFI 2.4G搬移到感性區(qū)，WIFI 5.8G搬移到容性區(qū)：先并聯(lián)一個電感（藍(lán)色虛線所示），再串聯(lián)一個電容（綠色虛線所示），如下圖所示：

左圖為匹配前Smith圓圖

右圖為并聯(lián)電感-串聯(lián)電容后的Smith圓圖

到這一步就可以采取上一推文的串聯(lián)LC電路實現(xiàn)高低頻的分別匹配了：

LC匹配后的仿真結(jié)果(點擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為整個匹配所采用的LC網(wǎng)絡(luò)示意圖，S11和Smith阻抗圓圖。

中間兩個串聯(lián)電容可以用一個0.26pF電容進(jìn)行簡化。

LC匹配前后的結(jié)果對比(點擊小圖可看清晰大圖）

從左到右依次為匹配前后的S11，Smith阻抗圓圖和天線總效率對比圖。

*本文的圖片部分來自互聯(lián)網(wǎng)和CST仿真軟件結(jié)果，致謝Markdown Nice提供的公式排版服務(wù)

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