前言：蛇形天線相信大部分朋友看到的最為廣泛一種天線結構，主要用在藍牙、wifi、zigbee等領域。

一、蛇形天線原理

之前有很多朋友問過我蛇形天線如何設計，比如：蛇形天線的彎折有沒有什么講究，彎折多少次合適等，其實，如果朋友們有這樣的疑問，那就說明大家對蛇形天線的認識進入了一個誤區，為什么這么說，因為蛇形天線本身并沒有所謂“彎折規則”之類的說法，換句話說，蛇形天線的彎折都是隨性的，根據每個項目的具體需要來決定，蛇形彎折有一種專業術語叫做“曲流技術”，相信很多朋友都聽說過，它的目的就是使天線小型化。

圖1蛇形天線電流方向分析

因此，在實際項目設計中，蛇形天線的彎折是隨意的，滿足設計要求即可，無須在意彎折多少次，或者怎么彎折。但是需要說明的是，蛇形天線的彎折也是有一定講究的，尤其對增益有較高要求時，對彎折段的長度就要有所考量，如下圖所示：

圖中，紅色箭頭表示天線表面電流的方向，在圖中可以看出，蛇形天線相鄰的兩垂直段的電流方向相反，我們做一個假設，假如天線是理想導體，當垂直段無限靠近時，則垂直段上的電流將被抵消歸零，那么整個天線上的電流強度將會嚴重削弱，而了解電磁場原理的朋友都知道，電磁波是由電流產生的，當電流變弱以后，相應的電磁波也會變弱，而天線的原理則是將功率信號轉化為電磁波，因此，可以認為天線的表面電流直接決定了天線增益的大小。從而可以得出結論，蛇形天線的垂直段間距越小，則增益越差。

因此在設計蛇形天線時，需要考慮彎折對天線增益所造成的影響，雖然縮減垂直段間距可以進一步實現天線小型化，但這是以犧牲增益作為代價的，朋友們在設計時需要綜合考慮各項指標，做出合理的設計。

二、蛇形天線類別

當前常見的蛇形天線主要有以下幾種，我將其命名為A,B,C,D四類，如圖：

圖2 A類蛇形結構

圖3 B類蛇形結構

圖4 C類蛇形結構

圖5 D類蛇形結構

四類蛇形結構各有特點，使用環境也會略有差異：

A類蛇形線是有傳統的倒L天線經過彎折變化而來，主要目的是小型化。A類結構由于自身沒有接地支路，因此設計中不容易調整天線的輸入阻抗，從而A類結構的回撥損耗S11相對較差。

B類，這類天線是A類結構改造而來，通過增加一個短路支路，從而使得天線可以自由調整天線的輸入阻抗，只需要調整短路支路的長度即可調節天線的S11指標。

C類，其結構與A類類似，只是該類天線適用于射頻收發機饋線在電路板居中位置的情況，其缺點和A類相似，不能通過天線自身來調整輸入阻抗，因此匹配線較差。但是設計者可以在饋點上方自己增加一路短路枝節即可用以調整天線的輸入阻抗，這種調整方法不再單獨畫出。

D類，其結構源自蛇形倒F天線，集成了IFA結構的一切優點，主要區別就是將諧振枝節進行了彎折處理，從而實現天線的小型化，唯一缺點是增益要低于IFA天線。

現在我們以B類結構為例，來簡單的設計一個2.45GHz的B類天線結構模型，其初始尺寸的設計方法和IFA天線類似，通過頻率和光速的關系即可求解，而天線每一段的彎折情況及個段的結構我定義如下：

圖6天線初始尺寸設置

HFSS模型建立要注意，由于本文所設計的為單極子天線，因此設計中要充分考慮地平面對天線的影響，地平面需要有足夠大的面積，以使得天線能夠獲得較好鏡像，實現輻射，模型如下：

圖7 HFSS模型

回波損耗S11仿真：

圖8 S11仿真結果

從仿真圖中可以看出，S11的仿真結構是比較好的，完全可以達到2.45GHz的工作頻段和帶寬要求。

可能有的朋友會有疑問，因為有些朋友是天線的初學者或者經驗不足，可能設置初始尺寸時經驗不足，從而導致初始尺寸的仿真結構較差，比如工作頻點與預期的偏差較大，S11太大等等，這些情況都是存在的。現在我們就來分析下出現這類情況的時候我們應該怎么來解決。

(1)工作頻點調整

天線的諧振頻段是由天線的有效電流路徑長度決定的，因此要調整工作頻段，就要考慮從天線的物理長度入手。

通常，我們設計中需要在蛇形天線的末端預留一段用變量表示的枝節，如圖6中最右端所標示長度為L的枝節，做優化時，只需要簡單的改變此段長度即可，例如，我現在在剛剛建立的模型上做一個示例，令L分別等于1.5mm，2mm，2.5mm和3mm時，來求解其對應的工作頻段，求解結果如下：

圖9 L的長度對諧振頻點的影響

從圖中看到，L變化時，天線的諧振頻點也會產生非常明顯的變化，隨著L減小，天線的諧振頻率隨之下降。

(2) S11改善

S11的決定因素是天線的輸入阻抗，通常，單極子天線默認的輸入阻抗為50歐姆，當所設計的天線輸入阻抗無限接近50歐姆時，則S11將逼近無限小，反之，當輸入阻抗偏離50歐姆時，則S11將變差，換句話說，輸入阻抗偏離50歐姆越大，則S11越差。對于本文中所設計的天線結構，如圖6所示的L2短路枝節，可以通過調整L2的長度來改變天線在2.45GHz頻段上的輸入阻抗大小，進而調整S11參數。我現在在模型上做一個示例，令L2分別等于4mm，4.5mm，5mm，5.5mm和6mm，來看其對應的S11的值，仿真結果如下：

圖10短路枝節L2對S11的影響

從中看出，L2長度發生變化時，天線的諧振頻率幾乎保持不變，但是S11卻有非常明顯的變化，隨著L2長度增加，S11逐漸變好。因此實際設計中，可以通過調整短路枝節來改善S11參數。

蛇形天線的結構多種多樣，各位朋友一定要打開思路，嘗試不同的彎折方式，將會收獲意想不到的結果。

三、蛇形天線設計

下面設計了一款D類蛇形結構天線，其結構源自蛇形倒F天線，集成了IFA結構的一切優點，主要區別就是將諧振枝節進行了彎折處理，從而實現天線的小型化，唯一缺點是增益要低于IFA天線。