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利用免费软件和低成本仪器设计内置天线放大器的物联网设备

J. Valle*, A. Andújar** and J. Anguera*,**；* Smart Society Research Group, Universitat Ramon Llull, Barcelona, Spain；** Ignion, Barcelona, Spain

随着各种应用对无线连接需求的快速增长，针对特定环境优化天线的必要性日益凸显。在专业应用中，天线系统需要使用电磁（EM）软件进行仿真，并使用矢量网络分析仪（VNA）和暗室等精密设备进行测量。然而，免费软件和低成本仪器被推荐用于早期设计。^1,2这种替代方法可让研究人员参与设计内置天线的无线设备，并为天线设计提供经济高效的简化方法。这些设计可过渡到专业软件，以进行更精确的设备表征。

为说明设计过程的简便性，将通过修改相关匹配网络在所需频段使用一个小型非谐振元件。³这种非谐振增强天线元件的尺寸为12×3×2.4mm³。它将被集成到图1所示的FR4电路板中。⁴

这种设计程序比基于改变天线几何形状的设计程序要简单得多。⁵对于天线放大器来说，只有匹配网络需要调整，因为天线放大器可用于多个频段和外形尺寸。⁶这种易用性得益于基于匹配网络合成的天线放大器电路设计软件的非共振特性。⁷这是一个显著的优势，因为通过设计匹配网络就可以轻松设计出包含天线放大器的无线设备，这种设计简单、快捷，而且完全可以通过电路仿真来解决。

创建一个具有不同外形尺寸的设备库（包括天线放大器），其中包含广泛频率范围内的S参数，为简化设计流程创造了机会。设计人员可以选择最符合要求的外形尺寸，然后使用该库设计匹配网络。^8,9这种库包含与不同尺寸PCB上的不同天线放大器相对应的预仿真S₁₁数据。

本文详细介绍了如何从资料库中获取S参数，使用另一款免费匹配设计软件设计匹配网络，以及使用低成本VNA测试S参数。由于资料库已被广泛介绍，⁸本文重点介绍使用免费软件设计匹配网络，以及使用低成本VNA测量S₁₁参数。此过程的设计流程图如图2所示。

在选择免费匹配网络设计软件之前，我们对不同的合成软件进行了比较分析。匹配网络合成软件必须能处理复杂的频率相关阻抗，并能在f₁-f₂和f₃-f₄（例如，824-960MHz和1710-2690MHz）合成具有多频带性能的匹配网络，而且能够包含具有有限Q因子的实际电感器和电容器。表1列出了满足这些需求的软件。

XFdtd Remcom、Optenni-Lab、Cadence AWR Microwave Office和Atyune符合表1中的三个标准。前三个软件功能强大，是专业应用的优秀软件。但本设计使用Atyune，因为它是一个开放且易于使用的匹配网络合成软件。它侧重于为天线与特定地平面尺寸的匹配提供清晰实用的指导。该软件可免费使用。

用于匹配网络合成的免费软件

匹配软件允许用户分析天线匹配网络。软件将确定S₁₁、带宽、公差和匹配网络效率等参数。此外，这些软件还能根据要求合成匹配网络，并指定实现该网络的组件。

在这种情况下，仿真从先前仿真过的平台（包括天线放大器）的S参数开始。Ignion提供了一个免费库。^8,9例如，图1中的设备已使用电磁全波求解器IE3D进行了仿真。数据库中提供了S₁₁数据，⁸设计人员可使用图2的流程图合成匹配网络。

建立匹配网络的必要性

图1中电路的S₁₁如图3所示。在所需的863-928MHz范围内，S₁₁性能较差。我们的目标是设计一个S₁₁值小于-6dB的匹配网络。

高效匹配对于优化系统性能和确保信号源与负载之间的最高功率传输至关重要。不匹配会导致信号反射和功率损耗。图3的结果显示，900MHz时S₁₁=-1dB。这意味着只有20%的可用功率传递到天线系统，相当于6.8dB的失配损耗。匹配网络将匹配阻抗，以优化信号源和负载。软件将为所需的匹配网络合成拓扑结构和元件，如电感器和电容器。

带宽潜力

要优化匹配网络设计，必须分析天线阻抗的潜在带宽。这一步对于确定设计是否能提供足够的带宽至关重要。即使天线没有匹配，设计人员也能通过潜在带宽估算出带宽。如果潜在带宽大于目标带宽，则可以设计一个或两个元件的简单匹配网络来满足带宽要求。值得一提的是，在使用宽带匹配网络时，可能会超出潜在带宽。例如，使用LC谐振器的宽带匹配网络在SWR=3时理论上可将带宽提高2.45倍。^19,20,21

Atyune软件有助于有效评估带宽潜力。它允许探索直接影响带宽的配置和设置，确保最终设计符合所需的带宽要求。以图1中的天线放大器为例，其工作范围为863-928MHz，带宽为65MHz。图4显示了带宽潜力曲线。在900MHz时，该值为175MHz，相当于19.4%，这表明采用适当的匹配网络就能获得足够的带宽。

匹配网络设计

由于有足够的带宽潜力，该软件将用于设计一个S₁₁小于-6dB的匹配网络，频率范围为863-928MHz。将对该设计进行合成，以限制系统所需的元件。在这种情况下，匹配网络包含两个元件，如图5所示。L1是一个15nH的电感器，Q值为87；L2是一个27nH的电感器，Q值为89。软件允许实时调整，以便进行实验和优化。

图6显示了图1中天线放大器的仿真结果，包括使用和不使用匹配网络的情况。通过匹配网络，天线在810-1000MHz范围内的S₁₁值优于-6dB。这个190MHz的带宽很容易满足863-928MHz的天线放大器频率范围。放大电路20.9%的带宽也接近图4所示19.4%的带宽潜力。

公式1将总匹配网络效率定义为：

其中：η_t=总效率；η_m=匹配效率

在863-928MHz范围内，该天线放大器的平均效率为83%。值得注意的是，总效率考虑了失配和匹配网络中使用的块状电感器有限Q值影响的匹配效率。图7显示了匹配和非匹配天线放大电路的总效率结果。

考虑焊盘布局的匹配网络设计

带宽和效率分析完成后，下一步就是制作电路板。在制作电路板之前，必须考虑叠加元件焊盘的尺寸及其对电路性能的影响。每个焊盘都可以用短传输线建模，然后计算S₁₁。在这种情况下，焊盘构成一条非对称共面传输线。特征阻抗和有效介电常数很容易求出。³

图8显示了本例的电路板布局。该布局包含多个串联和并联元件，以适应各种电路配置。所考虑的匹配网络只需要Z1和Z2，因此Z3、Z6和Z7短路，而Z4和Z5开路。

下一步是将实际焊盘添加到匹配网络值中。这意味着将每个焊盘仿真为传输线，并确定阻抗、衰减、介电常数和长度。从图8中可以看出，Z1是27nH的电感器(L2)，Z2是15nH的电感器(L1)，Z1和Z2之间有一条2mm的传输线。由于Z3、Z6和Z7短接在一起，因此它们被仿真为一条13mm的传输线。具有实际焊盘特性的匹配网络如图9所示。

在包含实际焊盘的情况下，使用L1和L2值仿真匹配网络，以分析焊盘的影响。结果显示，795-928MHz的带宽为133MHz，即15.4%，其中S₁₁小于-6dB。由于2mm传输线引入的电感，频率向低频移动。这些结果如图10所示。

下一步是优化L1和L2的值，以纳入焊盘布局的效果。Atyune的AutoMatching（自动匹配）功能将更新初始元件值，以纳入添加焊盘的效果。添加焊盘后，天线放大器符合S₁₁要求，因此无需优化。在其他情况下，优化软件可用于微调数值，以纳入布局影响。仿真结果显示带宽为215MHz或23%，设计符合825-1040MHz时S₁₁的要求。这些结果如图11所示。

经过仔细分析，确定可以去掉15nH的并联电感器。该元件在900MHz时的阻抗很高，去掉它不会产生相关影响。图11显示，去掉电感器后，匹配网络的带宽有所改善。

图12显示了最终匹配网络的总效率。平均值为78%。该效率计算考虑了S₁₁、27nH电感器有限Q值造成的损耗以及布局损耗。

公差分析

Atyune在S₁₁分析中考虑了元件容差。在这种情况下，元件容差被设置为2%，蒙特卡罗分析显示了一个稳健的匹配网络，工作频段内的所有S₁₁结果均小于-6dB。结果如图13所示。

原型和测量

分析和优化工作完成后，下一步就是制造匹配网络，并比较实际结果与仿真结果。为了最大限度地提高匹配网络的效率，匹配元件的Q值必须尽可能高。在本例中，我们选择了Q=89（900MHz）的0603 SMD电感器，而不是Q值约为58的0402版本。

为了测量相应的S₁₁，构建了匹配网络，并将系统连接到微型VNA。VNA采用标准的短路/开路/负载校准法进行校准。此设置如图14所示。

为完成比较，还在实验室级专业VNA上对匹配网络进行了测量。两台仪器的测量结果显示出良好的一致性，测量带宽为19.8%。这一测量带宽与近23%的仿真带宽相比也相当接近。与仿真结果相比，两台测量仪器都出现了7%的轻微频率偏移。结果如图15所示。

结论

本文介绍了一种设计和优化内置天线放大器的物联网设备的新方法。其前提是，利用Ignion库、免费软件和低成本VNA，为研究人员从事射频设计和无线设备开发提供了一条便捷、经济的途径。将天线放大器集成到接地平面中可简化设计过程，将重点放在匹配网络上，而不是改变天线的几何形状。这种方法表明，在863-928MHz频段内工作的有效天线设计，即使使用价格低廉的基本软件也是可以实现的。

这种设计方法降低了成本，降低了射频设计的入门门槛。这将有助于促进无线通信领域更广泛的参与和创新。通过采用这种方法，研究人员可以获得宝贵的实践经验，并在过渡到更复杂、更精确的专业软件之前加深对天线设计原理的理解。

参考文献

图1：FR4地平面上的天线放大器。

图2：设计流程图

图3：使用Atyune的天线放大器S₁₁响应。

图4：天线放大器在SWR=3时的带宽潜力。

图5：合成匹配网络。

图6：有匹配网络和无匹配网络的天线放大器S₁₁结果。

图7：有匹配网络和无匹配网络时的总效率。

图8：电路板布局

图9：与实际焊盘匹配的网络。

图10：有焊盘和无焊盘的S₁₁对比。

图11：带有和不带15nH平行线圈匹配网络的S₁₁。

图12：最终匹配网络的匹配效率。

图13：考虑了电感器容差的S₁₁，。

图14：利用低成本VNA测量S₁₁。

图15：匹配网络的测量结果与仿真结果对比。

表1：网络匹配设计软件比较