小尺寸多层平面式螺旋天线的仿真设计
本文介绍了一种小尺寸多层平面式螺旋天线，通过近场耦合实现在频率范围10～300MHz之间的短距离数据通信。这种平面式结构采用PCB工艺，通过圆形螺旋绕组，由过孔连通每层线圈，并将不同螺旋圈数、不同层间距、收发天线之间不同距离等对天线特性的影响进行仿真研究。仿真结果表明，随着天线圈数的增加，天线的谐振频率减小，电场减弱，而磁场增强。
近年来随着电子信息技术与移动互联网的蓬勃发展，短距离的无线通信技术越来越受到人们的关注。轻薄型移动电子设备的广泛普及对天线提出了更高的设计要求，如要求天线尺寸足够小、带宽足够宽等。如今国内外对于螺旋天线的研究也已日趋成熟，随着各种电磁仿真软件的出现，对天线各种参数的计算更加准确。在螺旋天线基本模型基础上，各种形状和尺寸的螺旋天线结构不断被应用于各种领域。文献介绍了三种不同绕组形式下的多层平面式螺旋线圈结构。当工作在10kHz～10MHz频段时，三种不同绕组的多层螺旋线圈在每层8圈的情况下，分析了固有电容和寄生电容的变化对线圈带宽、Q 值的影响。文献介绍了平面螺旋线圈在固定尺寸下，线圈绕组的空心率对电感值和Q 值的影响。然而，随着移动电子设备的小型化，通信频段不断提高，要求螺旋天线的工作频率和带宽能够进一步增加的同时尽量减小天线的尺寸。
为了解决这些问题，本文提出了一种小尺寸多层平面式螺旋天线的结构，采用PCB多层板的制版工艺，通过平面式圆形螺旋绕组，由过孔连通每层线圈。根据右手螺旋关系，每层螺旋线圈的电流方向必须保持一致。这种平面式结构具有绕组一致性好、可重复性好、可靠性好等优点。
本文设计的一对收发螺旋天线，利用天线的近场耦合特性实现数据通信。利用HFSS软件对这种小尺寸平面式螺旋天线的性能进行仿真，研究螺旋圈数和带套筒对天线带宽和谐振频率的影响。
1、理论基础
由电磁场理论可以得出，一个传统的密绕N 匝螺旋线圈在其中心轴线上产生磁场，线圈产生的磁场如图1所示。
图1 线圈产生的磁场
其强度可由式(1)给出：
式中：N 是线圈匝数，R 是线圈的半径，x 是沿x 方向距线圈的距离，I是线圈的输入电流，d 是螺旋线圈的高度。
近场通信通常是基于电感耦合方式，天线采用线圈的形式，收发天线通过电感产生磁场进行耦合，信号通过磁耦合建立链路进行数据传输。耦合的本质是发射天线线圈的交变磁力线穿过接收天线线圈，并在接收天线线圈中产生感应电压。耦合中利用天线线圈产生的未辐射出去的交变磁能的过程，相当于天线的辐射近场情况。本文采用的近场耦合通信系统如图2所示。
图2 螺旋天线近场耦合通信系统
结论
本文提出了一种小尺寸多层平面式螺旋天线，采用PCB多层板的制版工艺，主要研究了收发天线在不同螺旋圈数、不同层间距、加上不锈钢套筒对天线谐振频点的影响，最后讨论了收发天线之间距离的不同对天线传输的影响。由S 参数、场分布和表面电流分布可以看出，随着圈数增加，工作频率高于200MHz时，谐振点明显向低频段移动，当工作频率低于200MHz时，谐振点降幅不明显;当增加天线圈数时，天线的谐振频率降低，电场减弱，而磁场增强，说明频率越低，电磁场中起主要作用的是磁场强度。通过增加螺旋线圈之间的层间距可以增加频带带宽。如果在天线外面加上不锈钢套筒，其S 参数的变化并不明显，说明套筒对信号传输影响不大。最后，本文分析了收发天线之间的距离对天线传输性能的影响。通过减小天线间的距离，能使收发天线之间的近场耦合性能更好。
