2.4 GHz 天線匹配

如何將纜線配對至 2.4 GHz 天線

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我們的目標是 在 2.4 GHz 時,將 50 Ω SMA 纜線連接到 PCB 天線 使回損維持在 -15 dB 以下,VSWR 維持在 1.5 以下,天線效率在 2.36 到 2.48 GHz 之間維持在 90% 以上。

我們選擇了一個簡單的 L 型網路,並計劃在需要更多頻寬時加一個小型並聯電容器,而且我們選用了精巧的 SMD 電感和電容,因此電路板可以保持較小的尺寸。

首先,我們使用 HFSS 建模裸露的 PCB 天線饋源和 FR-4 上的 50 Ω 微帶線 (εᵣ = 4.3, h = 1.6 mm, tan δ = 0.02)。我們提取了饋電埠在 2.2-2.6 GHz 上的阻抗,以瞭解我們需要多少無功修正。

然後,我們選擇一個 L 網路,並使用 f₀ = 2.42 GHz 計算起始值:

2.4 GHz 天線匹配

接下來,我們將 L 和 C 的真實 SMD 模型置入模擬器中,並調整它們,直到模擬回波損耗 S₁₁ 在 2.42 GHz 時降至 -18 dB 以下,並在 2.36 和 2.48 GHz 時保持在 -15 dB 以下。

接著,我們開始 PCB 佈局:我們將匹配網路保持在距離天線饋源 5 mm 以內,並使用 45° 彎曲的跡線來避免額外的電抗;我們讓接地平面保持實心,但在天線區域下方增加了一個小槽來進行微調。這些規則使寄生電抗保持在低水平,並使設計具有可重複性。

佈局完成後,我們對整個天線加上匹配網路進行了全波模擬,並製作了一個原型進行測量。所有測量數據與模擬結果一致,誤差在 ±5% 以內。

表 1:測試結果摘要

參數模擬值與量測值
回波損耗 (S₁₁)2.42 GHz 時 ≤ -18 dB,2.36 和 2.48 GHz 時 ≤ -15 dB
VSWR≤ 1.3 跨 2.36-2.48 GHz
增益≥ 2.2 dBi
效率≥ 92

我們先顯示回波損耗曲線,然後再顯示 VSWR 曲線及其簡單分析:

圖 1:回波損耗 vs 頻率
如您所見,回波損耗曲線在 2.42 GHz 時達到 -18 dB 的深缺口,並在 2.36 至 2.48 GHz 期間保持在 -15 dB 以下。這符合我們的目標,即在整個 80 MHz 頻段內,反射功率保持在 3% 以下。

圖 2:VSWR vs 頻率
在此,中心頻率的 VSWR 降至 1.29,並在 2.36-2.48 GHz 之間保持在 1.5 以下。這證明阻抗匹配保持在 50 Ω 的 ±15% 以內,從而保持低插入損耗並保護天線頻寬。

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