Sniffer天线的ADS仿真及参数影响

Sniffer天线的ADS仿真及参数影响随着国际上民用无线通讯技术的发展，WI-FI、Bluetooth、Zigbee等主要使用ISM2.4GHz 频段的芯片大量上市，因为芯片本身的集成度非常高，只需要很少的外围器件，整机厂商往往只需要模仿芯片厂商提供的标准设计就可以完成产品，技术门槛变得很低，甚至有些厂家连基本的RF仪器都不配备就可大量生产。

像TI的CC2530这款Zigbee芯片，外围的射频部分只有用LC组成的balun及PCB天线，而且TI都提供了相关参数，所以很多厂家都只需要按“标准设计”来仿制，并不配备矢量网络分析仪来调测。

TI的技术资料中，对2.4GHz天线提供了两种标准设计，一种为Inverted-F型PCB天线，另一种为所占面积更小的Meanered Inverted-F型PCB天线，都提供了相关尺寸数据，以方便用户使用。

其中后面一种，是TI提供的接入电脑USB口的Zigbee协议探测器中使用的，被称为sniffer，所以也被称为sniffer天线。

为了解其性能，试着使用Agilent公司的Advanced Design System进行仿真计算。

1.理想情况下sniffer天线仿真：Sniffer天线占用面积大约为16X6，其外形如图：在ADS软件中，要先建立一个项目，填入sniffer，软件会形成一个sniffer_prj命名的文件夹，包括networks、data、emds_dsn、mom_dsn、substrates、synthesis、verification等子文件夹；软件还自动打开一个Schematic界面，可供输入电路原理图，因为是PCB天线仿真，不需要输入原理图，只是用上面的菜单Layout=>Generate/Update Layout，打开Layout界面；使用工具栏（Toolbar）上的Insert Rectangle工具，按TI公司文档AN043上的尺寸画出上图的PCB天线。

天线是画在cond层，而下面的敷铜则是cond和cond2层都有，并在hole层加上通孔连接两层，并放置port。

在仿真前要设置Substate，菜单Momentum=>Substate=>Create/Modify，打开设置界面，其中包括Substrate Layers和Layout Layers两个界面。

Substrate Layers中，最上面的FreeSpace 不变，表示上面为自由空间；因为PCB天线是使用FR4基板，所以下面一层按FR4的参数设置（包括基板厚度参数）；最下层的GND改为open，参数按FreeSpace设置，名称改为Air。

Layout Layers中，要设置cond、cond2和hole的相关参数，形成如图的5层结构，其中cond 为双面覆铜板上面一层的铜箔层，cond2为下面一层的铜箔层，有通孔穿过FR4基板连接两层。

这样，Substrate参数就设置完成了，然后进行仿真。

菜单Momentum=>Simulation=>S-parameters，打开界面，设置扫描范围为2～3GHz，然后仿真。

仿真时间比较长，往往需要十分钟以上，甚至可能花半个多小时，根据参数设置不同而有差别，最终结果为S参数。

因为天线为单端口微波网络，所以只有S11参数，不过为复数，包括实部和虚部，显示形式为幅度和相角；下面还有阻抗圆图（即smith图），看阻抗匹配情况更直观一些。

这是仿真后的结果：由上图可以看出，sniffer天线的S11参数还是很好的，中心频率在2.44GHz，其反射系数为-19dB，转换为VSWR约为1.25。

小功率天线，一般用VSWR<2测定带宽（即反射系数小于-9.5dB），图中显示为133MHz，相对带宽约5.5%，已超过2.4～2.5GHz的频段范围，带宽足够。

如果按VSWR<1.5来测定天线带宽，即反射系数小于-14dB，sniffer天线有70MHz带宽，相对带宽约2.9%，大多数情况下带宽也足够，像Zigbee带宽只有5MHz，如果调整得当，已远远超过其要求，会有很好的效果。

菜单Momentum=>Post-Processing=>Radiation Parttern，打开界面，可以设定辐射场的仿真图形参数，得到如下结果：可以看出，sniffer天线的空间辐射场大致为球形，但因为天线的不对称特性，球有些变形，最大辐射点并不在0度上，而是偏到34度，但幅度变化并不大，如果从3D图上看起来就更明显了。

辐射场像一个苹果，被基板分成两半，上下是对称的，这是近场的情况。

菜单FEM=> Simulation=>S-parameters进行仿真，然后FEM=>Post-Processing=>Compute Far Fields进行计算，这个过程耗时比较长，需要耐心等待。

完成后，菜单FEM=>Post-Processing=>Visualization可以显示远场的3D图形：从上图可以看出，sniffer天线远场辐射接近全向天线，但有两个方向辐射比较弱，一个是馈电点方向，这里有较大的敷地，对信号的辐射有影响；还有一处是在天线左上角，对Inverted-F 形式的天线，这里有一个用于阻抗匹配的支节，这里也是对辐射有影响的地方，但比敷地处的影响要小。

2.PCB加工的板厚误差对天线特性的影响：以上的仿真，是在特定FR4基板厚度状况下得到的，在此厚度下，0.5mm宽的微带线阻抗为50Ohm。

实际在PCB板厂加工时，总会有厚度偏差，需要仿真在厚度变化情况下对天线特性的影响，这里主要考虑对S11的影响。

上图是基板厚度为-10%偏差时S11的特性曲线，对照前面的理想状况下的S11曲线，可以看出：中心频率由2.44GHz变为2.47GHz，增大了约1.3%，而反射系数变为-19.7dB，带宽变化也不大。

可见，天线总体性能变化不大，有些性能略有改善。

上图是基板厚度增大10%的S11特性曲线，此时中心频率由2.44GHz变为2.42GHz，降低了0.8%，反射系数变为-18.1dB，带宽基本没变化。

因此，设计良好的sniffer天线在PCB加工的厚度误差在±10%之间变化时，可以认为对天线性能基本没有影响。

但因为sniffer天线的相对带宽较窄（约5.5%），如果是使用较宽频带的WI-FI，已接近VSWR<2.0的频带边缘了，但对频带窄的Zigbee基本没有影响。

如果PCB厚度偏差较大，比如到±20%，可以得到如下曲线：可见，PCB厚度在±20%以内变化时，中心频率偏差加大到2%左右，虽然带宽变化并不大，但因为其相对带宽只有5.5%，这些偏差已足以让使用较宽频带的部分信道出现劣化。

上述结果只是考虑了基板厚度偏差的部分影响，并没有考虑对馈电的微带线阻抗影响的部分，如果考虑了造成的阻抗失配，影响会更大一些，但对窄带的Zigbee信号的影响可以忽略不计。

3.基板厚度对sniffer天线性能的影响：因为是民用的无线通信，特别是珠三角等地加工生产的，往往成本是非常重要的考虑因素，也是市场竞争的主要优势，因此一般使用价廉的FR4双面基板制作。

但上述仿真使用的基板厚度值，在双面板中一般不会使用，因为太薄而强度不够，需要加工为4层板，增加了成本。

常用的双面FR4基板最薄的为0.6mm，设定厚度值进行仿真，得到如下曲线：可见，其中心频率变为2.25GHz，此时反射系数为-14.8dB，VSWR约为1.44，而VSWR<2.0的频带变为2.2～2.3GHz，相对带宽为4.2%。

阻抗圆图为：可见，此时天线中心频率点已明显偏离了阻抗圆图的中心点。

因为在厚度0.6mm基板上已很难做出50Ohm的微带线，所以馈电微带的阻抗失配是必然的，如果考虑这种因素，得到曲线：这时，中心频率点为2.2GHz，反射系数为-12.7dB，VSWR约为1.6，而VSWR<2.0的频带变为2.16～2.26GHz，相对带宽为4.2%。

可以看出，虽然反射系数与带宽都有劣化趋势，但最主要的问题是中心频率的偏离，使整个通频带已不在2.4～2.5GHz的ISM频带上，而在ISM 2.4GHz上的反射系数增加到-3～-2dB，VSWR到了可怕的6～9，已失去原来天线的设计性能。

上图为基板厚度为1mm并考虑馈电线阻抗失配的仿真结果，其中心频率变为2.04GHz，已经不再是2.4GHz频段的天线了。

仿真结果显示，基板厚度越厚，其中心频率越低，而中心频率处的反射系数及带宽也有一定劣化，但还在容许范围之内。

如果能通过一些设计参数的调整，使中心频率移回2.4GHz频带，还是可以作为这个频段的天线使用的，只是发射性能有所降低。

所以，适当调整参数的sniffer天线其实也可以用较厚的双面板实现，当然也要能接受其性能的降低。

4.导电层对sniffer天线性能的影响：天线一般是放置在PCB的一侧，贴近非金属外壳，周围近处应避免有导电的金属物，特别是下层不要敷地层。

但一些结构设计中，周边往往被设计为各种接插件等金属物体，只能把无线发射模块放在PCB中间架高使用，那么怎样的高度才会不影响天线的性能呢？其实，这种三维结构的电磁场性能仿真并不是ADS软件的强项，但通过Substate的设置，加入Closed的GND层，也可以仿真出这种情况的影响。

通过设置air层的厚度，也就是天线到地层的距离，可以得到相应的结果。

这是50mm的情况：与理想情况下的sniffer天线的S11曲线对比，基本没有多少变化，可以认为基本没有影响。

但如果看其3D图，就能看出明显的变化了：因为设置了无限大的地平面，电磁场无法向下面辐射，只能向上方反射。

相应的2D曲线也出现了相应变化：虽然空间辐射场的形状出现了很大的变化，但距离地平面50mm的天线的S11却基本没有差别。

但如果设置不同的距离值，就会发现其中的不同，而变化的起始点大约在20～25mm距离。

下面分别是距离为25mm和20mm的S11仿真曲线，从中可以看出：25mm时，其中心频率变为2.4GHz，降低约1.6%，而反射系数和带宽变化还不大；而20mm时，中心频率基本还是2.4GHz，但反射系数则变为-13dB，带宽变为只有90MHz，性能劣化就很明显了。

如果再设置距离为10mm，则S11曲线变为：天线的中心频率基本没有变化，但反射系数只有-6dB，VSWR约为3，原设计的天线性能就很差了，大部分能量将无法发射出去。

可见，25mm大约为基本不影响天线性能的距离，如果一个产品使用金属底盘，那么为了保证天线性能，天线距此至少应有25mm距离，否则不能保证天线的设计性能。