RF仿真
ADS仿真板厚等参数对sniffer天线的影响
上篇的仿真，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。
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。
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：
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。
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。
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？
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。
当然，这种仿真是以无限大的地为参照的，有限面积的金属体的影响需要用其他的3D电磁场仿真软件才能得到更准确的结果，或者以矢量网络分析仪实测。
由以上仿真结果可以看出，sniffer天线是一种占用面积非常小的2.4GHz频段天线，只有16X6mm，如果使用得当，是可以发挥其独特的优势的，所以TI公司会在其资料中重点给予推介。但是，TI公司并没有给出相应的使用条件说明，完全按尺寸Layout的天线也并不一定能达到原设计的效果，更不是像一些人认为的只有这样的外形的天线才适合2.4GHz使用。如图是按单极阵子加阻抗匹配支节设计的直臂天线，占用面积约25X5mm：仿真出的天线增益为11dBm（馈电为1V时），带宽有188MHz，相对带宽7.8%；而相同馈电情况下sniffer天线增益只有7.6dBm，带宽为133MHz，相对带宽约5.5%。Meanered天线，也常被称为蛇形天线，是以弯折的天线臂来代替直臂，以减小天线占用的面积，但也因此在平行的折臂中出现了反向电流，在引起的辐射场中相互叠加抵消，使其场强比直臂情况下减弱，引起天线增益及发射效率的降低，这是减小尺寸的代价。
（注：以上结果只是使用ADS仿真得到的，因为条件所限，并没有使用网络分析仪验证。）