本文介紹了一種小尺寸多層平面式螺旋天線，通過近場耦合實(shí)現(xiàn)在頻率范圍10～300MHz之間的短距離數(shù)據(jù)通信。這種平面式結(jié)構(gòu)采用PCB工藝，通過圓形螺旋繞組，由過孔連通每層線圈，并將不同螺旋圈數(shù)、不同層間距、收發(fā)天線之間不同距離等對天線特性的影響進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，隨著天線圈數(shù)的增加，天線的諧振頻率減小，電場減弱，而磁場增強(qiáng)。

　　近年來隨著電子信息技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，短距離的無線通信技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。輕薄型移動電子設(shè)備的廣泛普及對天線提出了更高的設(shè)計(jì)要求，如要求天線尺寸足夠小、帶寬足夠?qū)挼取Ｈ缃駠鴥?nèi)外對于螺旋天線的研究也已日趨成熟，隨著各種電磁仿真軟件的出現(xiàn)，對天線各種參數(shù)的計(jì)算更加準(zhǔn)確。在螺旋天線基本模型基礎(chǔ)上，各種形狀和尺寸的螺旋天線結(jié)構(gòu)不斷被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。文獻(xiàn)介紹了三種不同繞組形式下的多層平面式螺旋線圈結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作在10kHz～10MHz頻段時(shí)，三種不同繞組的多層螺旋線圈在每層8圈的情況下，分析了固有電容和寄生電容的變化對線圈帶寬、Q 值的影響。文獻(xiàn)介紹了平面螺旋線圈在固定尺寸下，線圈繞組的空心率對電感值和Q 值的影響。然而，隨著移動電子設(shè)備的小型化，通信頻段不斷提高，要求螺旋天線的工作頻率和帶寬能夠進(jìn)一步增加的同時(shí)盡量減小天線的尺寸。

　　為了解決這些問題，本文提出了一種小尺寸多層平面式螺旋天線的結(jié)構(gòu)，采用PCB多層板的制版工藝，通過平面式圓形螺旋繞組，由過孔連通每層線圈。根據(jù)右手螺旋關(guān)系，每層螺旋線圈的電流方向必須保持一致。這種平面式結(jié)構(gòu)具有繞組一致性好、可重復(fù)性好、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文設(shè)計(jì)的一對收發(fā)螺旋天線，利用天線的近場耦合特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。利用HFSS軟件對這種小尺寸平面式螺旋天線的性能進(jìn)行仿真，研究螺旋圈數(shù)和帶套筒對天線帶寬和諧振頻率的影響。

1、理論基礎(chǔ)

　　由電磁場理論可以得出，一個(gè)傳統(tǒng)的密繞N 匝螺旋線圈在其中心軸線上產(chǎn)生磁場，線圈產(chǎn)生的磁場如圖1所示。

圖1　線圈產(chǎn)生的磁場

　　其強(qiáng)度可由式(1)給出：

　　式中：N 是線圈匝數(shù)，R 是線圈的半徑，x 是沿x 方向距線圈的距離，I是線圈的輸入電流，d 是螺旋線圈的高度。

　　近場通信通常是基于電感耦合方式，天線采用線圈的形式，收發(fā)天線通過電感產(chǎn)生磁場進(jìn)行耦合，信號通過磁耦合建立鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。耦合的本質(zhì)是發(fā)射天線線圈的交變磁力線穿過接收天線線圈，并在接收天線線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。耦合中利用天線線圈產(chǎn)生的未輻射出去的交變磁能的過程，相當(dāng)于天線的輻射近場情況。本文采用的近場耦合通信系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　螺旋天線近場耦合通信系統(tǒng)

結(jié)論

　　本文提出了一種小尺寸多層平面式螺旋天線，采用PCB多層板的制版工藝，主要研究了收發(fā)天線在不同螺旋圈數(shù)、不同層間距、加上不銹鋼套筒對天線諧振頻點(diǎn)的影響，最后討論了收發(fā)天線之間距離的不同對天線傳輸?shù)挠绊憽Ｓ蒘 參數(shù)、場分布和表面電流分布可以看出，隨著圈數(shù)增加，工作頻率高于200MHz時(shí)，諧振點(diǎn)明顯向低頻段移動，當(dāng)工作頻率低于200MHz時(shí)，諧振點(diǎn)降幅不明顯;當(dāng)增加天線圈數(shù)時(shí)，天線的諧振頻率降低，電場減弱，而磁場增強(qiáng)，說明頻率越低，電磁場中起主要作用的是磁場強(qiáng)度。通過增加螺旋線圈之間的層間距可以增加頻帶帶寬。如果在天線外面加上不銹鋼套筒，其S 參數(shù)的變化并不明顯，說明套筒對信號傳輸影響不大。最后，本文分析了收發(fā)天線之間的距離對天線傳輸性能的影響。通過減小天線間的距離，能使收發(fā)天線之間的近場耦合性能更好。