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应用实例

全波模拟:GPS / 蓝牙天线的匹配网络设计

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如果匹配网络设计得当,单根天线即可用于 GPS 和蓝牙应用。一旦使用电路模拟器确定了所需的匹配网络拓扑结构,就需要进行全波模拟,以确定最终的 LC 值,因为天线和匹配网络之间存在电路模拟器未考虑的寄生耦合。

图 1 显示 GPS/Bluetooth 天线位于移动设备印刷电路板的一角。确定匹配网络的拓扑结构后,在 PCB 上铺设铜线(图 2)。馈电和并联电感器通过基板上的通孔接地。虽然已经放置了两个电感器和一个电容器,但它们的最终值还不得而知。

图 1:GPS/蓝牙天线。

图 1:GPS/蓝牙天线。

图 2:已安装组件的匹配网络布局。

图 2:已安装组件的匹配网络布局。

一旦定义了所有项目设置(材料属性、网格、波形等),XF 的电路元件优化器就会使用 XF 的全波 FDTD 求解对系统进行特性分析。然后根据系统特性确定最终元件值。由于使用了 FDTD 求解器,该过程捕捉并考虑了影响匹配网络性能的所有电磁现象。

作为优化的输入,提供了 GPS 和蓝牙频段的阈值作为目标。GPS 和蓝牙频段的反射系数需要分别低于 -4 dB 和 -10 dB。此外,电感值范围为 0.1 nH 至 100 nH,电容值范围为 0.1 pF 至 100 pF。

如图 3 所示,运行优化后,将提供最终的元件值。作为验证步骤,将优化后的 LC 元件值应用到项目中,再运行一次 FDTD 仿真。S11 结果如图 4 所示。优化找到的元件值符合 GPS 和蓝牙频段的阈值。

图 3:优化组件值。

图 3:优化组件值。

图 4:未匹配和匹配天线的 S11。

图 4:未匹配和匹配天线的 S11。

在最终的 FDTD 仿真中,收集了通过包含匹配网络的平面的稳态电场(图 5)。天线和铜线之间的耦合突出了在确定 LC 组件最终值时考虑所有电磁效应的重要性。

图 5:天线与匹配网络之间的场耦合。

图 5:天线与匹配网络之间的场耦合。

 

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