RF仿真
一、概述：
无线模块，为了降低成本及减小体积，常常使用PCB天线，在一侧边缘附近绘制一定形状的铜箔来实现辐射无线信号的作用。为了适应小体积模块的尺寸，无线模块往往使用折线的倒F型天线（Meander Line Inverted - F Antenna），而使用折线方式往往使天线带宽变窄，使用时更容易出现问题。无线模块使用时一般是焊接在面积较大的一块主板上，并使用外壳包裹，这都会对天线性能造成一定影响，以下以HFSS软件来仿真一些影响因素。
HFSS，是一款Ansoft公司设计的射频微波有限元分析软件，现在成为AnSys公司的产品。HFSS与FEKO、CST等都为三维的高频电磁场分析软件，主要用于无源高频器件的分析，包括滤波器、耦合器、功分器等，也常用于天线仿真，与ADS主要用于高频电路分析有所差别。 但目前新版的HFSS也加入了有源器件，而ADS也能用于PCB结构的无源器件（包括天线）的分析，应用领域相互有了交叉。
二、模块PCB板厚对天线性能的影响：
仿真使用一种2.4GHz频段的折线的PCB天线。2.4GHz频段在国外属于ISM频段，其中ISM是Industrial Scientific Medical的缩写，即工业、科学、医疗，ISM频段是开放给工业、科学和医学机构使用的，应用时不需要申请许可也不需要交费用，只需要遵循一定规范，如发射功率限制、带外杂散辐射功率限制等，避免对其他用户及频段造成影响。ISM频段在各个国家有不同的分配，一般2.4GHz频段都是可以使用的，所以被用作蓝牙、Zigbee、WiFi等民用小功率通信的频段。 这款2.4GHz的PCB天线外形为：
描述天线的基本性能，最常使用天线端口的S11参数，一般使用其对数值，即回损值。这款天线的S11曲线为：
从曲线中可以看出，天线的中心频率在2.44GHz，回损为-23.88dB，对应VSWR约为1.14，而天线低端2.4GHz的回损值为-6dB，VSWR约为3，而高频端-6dB点则在2.49GHz，这个-6dB的间隔非常窄，约90MHz，刚刚能覆盖窄带使用的2.4GHz频段。因为仿真软件使用的模型比较理想化，所以在中心频率附近具有较高Q值，造成频段较窄，而实际的PCB铜箔都非理想导体，表面也比较粗糙，一般Q值都不会那么高，频带会略宽，但中心频率处的回损值也会较大一些。
1. 加大10%板厚对PCB天线性能的影响：
此PCB天线使用的板厚较小，约0.34mm。因为PCB厂都有加工误差，如果厚度误差为+10%，仿真结果为：
可以看出，天线中心频率已经明显向下偏移10MHz，但回损值变化不大。因此-6dB回损值对应的两个频率也会向低端偏移，2.48GHz的VSWR值已经超过3，但超过不多，基本还可以使用。一般情况下，PCB厚度误差在10%以内不会对PCB天线性能造成很大影响。
2. 加大20%板厚对PCB天线性能的影响：
如果继续加厚PCB，到20%，仿真结果为：
天线中心频率已经偏移了30MHz而到了2.41GHz处，回损值变化不明显。而-6dB对应的频率值则分别为2.36GHz和2.45GHz附近，2.4GHZ频段的高端2.48GHz处的回损值变为-3.27dB，VSWR约为5.37，已经比较大，性能开始变差。
3. 加大50%板厚对PCB天线性能的影响：
如果PCB厚度增加一半，仿真得到的结果为：
这时中心频率变为2.35GHz，接近降低了100MHz。而2.4GHz处的回损值为-4.32dB，对应VSWR约为4.1；2.48GHz处的回损值为-1.14dB，对应VSWR为15.2,。此时PCB天线性能已经明显变差，高端部分已经非常差。
4. 板厚加倍对PCB天线性能的影响：
网上可以看到一些PCB天线的尺寸图，有些并没有给出PCB板厚度要求。如果使用不适合的PCB板厚度来制作PCB天线，就会造成其性能的变差，特别是对带宽较窄的天线更是如此。如果使用两倍厚度的PCB 来加工上述2.4GHz天线，仿真结果为：
此时天线的中心频率变为2.29GHz，回损值也明显变大。而2.4GHz处回损值为-1.27dB，对应VSWR为13.7，而频段高端性能更差。此时天线已经不是2.4GHz的天线了，降到2.3GHz。当然，如果对频带较宽的天线，带宽能达到200MHz以上，也可以正常使用。
5. 板厚加两倍对PCB天线性能的影响：
有些无线模块制作者喜欢使用较厚的PCB，如果厚度继续加大，到原厚度的三倍，仿真结果为：
此时天线的中心频率变为2.21GHz，回损值也只有-8.5dB。而2.4GHz处回损值为-0.355dB，对应VSWR为48.9，在2.4GHz已经基本不能使用，宽带天线也无法应付这种情况了。
6. 结论：
通过针对各种PCB板厚对天线性能的仿真，可以看出：一款满足设计要求的PCB天线，如果板厚不同就会造成对天线性能的影响，但加工误差一般不会造成PCB天线性能的明显劣化。如果天线板厚变化，宽带天线在一定偏差内还能满足需求，而窄带天线的效果就会变得较差，甚至无法使用，但制作体积小的宽带PCB天线比较困难，所以有时也不得不使用窄带天线。但如果板厚差别过大，即使宽带天线也已经无法满足需要。
三、多层板及金属导体对PCB天线性能的影响：
上述仿真使用的PCB天线是制作在比较薄的双层PCB上的，而无线模块常常会使用4层板。一般4层PCB中，Top层焊接元件及无线部分布线，下面的中间1层为完整接地层，再下面几层为电源线布线及一般信号线布线。PCB天线部分一般设计在Top层，并在下面几层的对应位置空出而只有PCB介质层，不留任何金属铜箔。但即使如此，下面的厚介质层仍然会对PCB天线性能造成明显影响。
1. 下层加同样厚度介质层对PCB天线性能的影响：
在上述双层板下面放置同样厚度FR4基板，仿真结果为：
从曲线可以看出，曲线中心频率变为2.17GHz，向下偏移270MHz，回损值变化不大。而2.40MHz的回损值变为-0.52dB，对应VSWR值为33.4，已经非常差。可见，下层加入一定厚度的介质层会使PCB天线的频率点下降很多，只有天线带宽300MHz以上的天线才能满足这种需求，不然就需要根据这种使用情况重新调整天线设计参数。
2. 下层有两倍厚度介质层对PCB天线性能的影响：
一般多层板都是四层或以上，如果是每层相同厚度的四层板，PCB天线下面的介质层会是两倍厚度，仿真结果为：
这时，曲线中心频率变为2.09GHz，向下偏移350MHz，回损值仍变化不大。而而2.40MHz的回损值变为-0.31dB，对应VSWR值超过56，变得极差。
3. 金属部分对PCB天线性能的影响：
有些无线模块使用者往往会在PCB天线下面放置一些小元器件、焊盘、过孔等金属物，认为隔着绝缘板且体积较小，不会影响无线部分。可以使用仿真方法看看这些金属对天线性能的影响。如在天线一端处的PCB介质另一面放置金属条。
仿真结果为：
与原曲线相比并没有多少明显变化，看似金属物对天线性能影响不大。但如果金属条纵向放置，一端连接地盘，如图：
仿真结果为：
发现天线已经完全失去性能。减小金属条宽度到0.1mm，一端接地盘，如图：
仿真结果为：
中心频率变为2.38GHz，偏移60MHz，当然频段高端2.48GHz的回损变为-2dB，对应VSWR约为8.7，天线性能明显变差。可见即使是0.1mm的接地金属条都会造成对天线性能的严重影响，如果金属条更宽则影响更大，甚至使天线完全无效。
虽然长度和面积较小的独立的金属物体对天线的S11参数影响不大，但因为金属是良导体，电磁波会在其上面感应出电流并对空间内的电磁波能量造成损耗，所以对天线辐射性能会有一定影响，特别是在天线与物体之间的金属物对天线辐射影响就更大，可能反射部分辐射能量，使接收端收到的信号明显减弱。
而且PCB上的铜箔与焊盘，并不会完全隔绝与地盘的接触，有的与地之间有一定电阻，有的则完全就是地层的一部分，所以对天线性能的影响是非常明显的，应避免在PCB天线的介质另一面有金属物，至少应保持一定距离，即净空。
4. 结论：
PCB天线下面的FR4等介质层，会明显影响其中心频率，主要是使中心频率向低频偏移。一般天线可以认为是由分布的等效电容与分布的等效电感组成，天线的中心频率是由电容与电感的谐振点所决定，而周围空间的介质（如空气、FR4基板、外壳等）会影响等效电容及等效电感的值，一般是介质的介电常数越大对应的电容及电感值也会越大。以真空的介电常数作为介电常数的基准，值为1；空气的介电常数与真空值非常接近，可以认为是1；其他介质的相对介电常数一般都比1大，如FR4基板的相对介电常数在4.2~4.7之间，所以PCB天线下面的介质会使等效电容及等效电感值变大，谐振频率也就变低。因此，PCB天线下面的介质板对天线中心频率影响较大，多层板使用时PCB天线参数一般需要按总厚度设计，因为做到250MHz以上带宽的PCB天线形式并不多，一般体积也较大。
而在PCB天线面积范围内，前后都不应有金属物体遮挡，即所谓净空范围。因为金属边缘也会对附近的天线辐射造成影响，一般金属物体应距离PCB天线范围一定距离，铜箔较薄留出1~2mm就足够，而较高的金属物（如五金结构件）就应距离更远一些，不然也会影响天线性能。
四、焊接模块的主板对天线性能的影响：
把无线部分单独做成模块，主要是为了降低成本，并降低在主板上直接制作无线部分的难度。整机制造商在需要使用无线功能时，如果在较大较厚的主机板上做上无线部分往往需要使用多层板，成本明显增加，而且也增加了设计及调试的难度，成品率会降低，而使用现成的无线模块就能降低成本及降低使用难度。不过，如果主板上预留的无线模块位置不恰当，甚至随意放置，也会对模块上的PCB天线性能造成明显影响。仿真也是使用上述2.4GHz天线。
前面已经仿真过PCB天线下面有介质层会对天线性能造成的严重影响，主要是会使天线中心频率下降，如果产品主板与无线模块边缘对齐，此时PCB天线下面就有比较厚的介质层，天线性能会明显劣化，特别是频段高端，几乎不能有效辐射信号。因此，主板上加装无线模块，应使PCB天线伸出主板外，下面为空气层，这时对天线性能影响才较小。但天线模块需要伸出主板外多少才适合？
1. 主板边缘与带PCB天线模块地层对齐时对性能的影响：
如果让主板PCB边缘与无线模块的敷地层平齐，仿真结果为：
可以看出，中心频率到了2.4GHz，比原曲线中心频率降低了约40MHz，但曲线形状基本没有变化，最低回损值变化也不大。而-6dB回损点对应频率变为2.35GHz和2.46GHz左右，2.48GHz处的回损值变为-3.16dB，对应VSWR约为5.56，对频率高端信道发射接收有了影响。
2. 主板边缘退后模块地层0.5mm时对性能的影响：
如果无线模块再向外伸出0.5mm，仿真结果为：
此时天线中心频率回到2.43GHz，比原曲线降低10MHz，回损值变化不明显。此时，-6dB回损点对应的频率分别为2.38GHz和2.47GHZ附近，对天线性能影响已经很小。但这是在主板面积与模块面积接近的情况下的仿真结果，一般情况下主板面积会比无线模块大很多，如果加大主板的面积，0.5mm间距情况下的仿真结果变为：
天线中心频率在2.41GHz左右，比原曲线降低30MHz，回损变化不大。而在频段的高端2.48GHz处的回损值变为-2.93dB，VSWR约为5.98，并没有改善。
3. 大主板边缘退后模块地层1mm时对性能的影响：
如果是小主板，主板面积与无线模块面积接近，主板边缘退后模块地层1mm时，对PCB天线性能的影响已经可以忽略。但如果使用大主板，主板面积是无线模块面积的数倍，主板边缘距离无线模块地层1mm，仿真结果为：
此时天线中心频率在2.42GHz，比原曲线降低了20MHz，回损值变化不明显。2.4GHZ频段的高端2.48GHz处的回损值变为-3.9dB，VSWR约为4.53，就有了明显改善，但仍不够好。如果空间允许，应使带PCB天线的无线模块地层边缘伸出主板边缘1mm以上才能达到较好效果。当然，这里使用的是窄带PCB天线，如果使用带宽较宽的PCB天线，就不会造成问题了。
4. 主板镂空时对无线模块PCB天线性能的影响：
因为安装需要，或者产品空间限制，一般情况下往往没有足够位置使无线模块伸出主板以外，这时为了不影响PCB天线性能，就需要将主板对应位置镂空处理，即在主板PCB上开一个矩形槽，如图：
在三面有较厚介质层情况下，如果中间边距离无线模块地层1mm，而两侧边距模块边缘0.5mm，仿真结果为：
此时天线的中心频率变为2.4GHz，回损值变化不大。-6dB回损点对应频率则为2.35GHz和2.44GHz左右，而频段高端2.49GHz处回损值为-2.16dB，对应VSWR为8。如果是宽带天线，可以达到要求，而对仿真用的窄带天线来说，这个距离间隙是不够的，需要继续加大。
5. 主板镂空间隙1mm时对PCB天线性能的影响：
如果加大两侧主板距无线模块的间隙到1mm，仿真结果为：
天线的中心频率还为2.4GHz，-6dB回损点对应频率则为2.36GHz和2.44GHz左右，而频段高端2.49GHz处回损值为-2.4dB，对应VSWR为7.3，改善不大。
6. 主板镂空间隙2mm时对PCB天线性能的影响：
如果加大两侧主板距无线模块的间隙到2mm，仿真结果为：
天线的中心频率到了2.41GHz，-6dB回损点对应频率则为2.37GHz和2.46GHz左右，而频段高端2.49GHz处回损值为-3dB，对应VSWR为5.8，有了明显改善，而且曲线形状与原曲线已非常相似，只是中心频率降低30MHz。但对于仿真使用的窄带PCB天线，效果仍不够良好。
7. 主板镂空间隙继续加大对PCB天线性能的影响：
为了使窄带天线性能改善，需要加大中间部分边缘到无线模块地盘的距离到2mm，仿真结果为：
天线的中心频率到了2.42GHz，-6dB回损点对应频率则为2.38GHz和2.46GHz左右，而频段高端2.48GHz处回损值为-4.1dB，对应VSWR为4.3，有了较大改善，但中心频率还降低20MHz。如果再加大两侧间隙到3mm，仿真结果为：
天线的中心频率还是2.42GHz，-6dB回损点对应频率则为2.38GHz和2.46GHz左右，变化并不明显。可见，主板镂空左右两侧距PCB天线间隙到2mm已经基本可以满足需要，再加大已经影响不大，而中间处镂空距离往往受无线模块周边焊盘距天线距离的限制，2~3mm已经比较大，继续加大一般难以实现。
8. 结论：
无线产品在使用加装无线模块方式时，一定要注意天线的放置位置。为了使PCB天线效果良好，无线模块应伸出主板，不仅要使整个天线部分完全露出主板外，还要附加1mm以上的余量，这样才能对PCB天线性能影响最小。
对于没有足够空间伸出主板外的情况，应在主板上开槽，对PCB天线下部的主板做镂空处理，镂空面积不仅要使整个PCB天线外露，而且三面还要留出1~2mm的间隙，如果有足够空间，也可以加大间隙，这样才能不影响天线效果。
增加周围间隙，主要是因为PCB的FR4介质层有一定高度，会对天线辐射造成影响，主板PCB越厚，需要留的间隙越大。使用宽带PCB天线时，间隙小一些就可以满足要求，而窄带PCB天线往往就要尽量加大间隙，以免影响频段高端信道的性能。
五、产品外壳对天线性能的影响：
使用无线模块的产品，一般都是要使用外壳加以保护的，而塑料外壳也是一种介质，有介电常数的，虽然中间有空气层，如果外壳距天线较近，也会对天线性能造成一定影响。仿真是在上面主板开槽加装无线模块基础上，使用聚苯乙烯平板，在底面、顶面及有天线的侧面加2mm厚板材，如图：
1. 底壳对天线性能的影响：
如果在加装无线模块的主板下面加上聚苯乙烯平板，距主板间距5mm，仿真结果为：
可以看出，中心频率在2.41GHz，比原曲线中心频率降低了约30MHz，因为是在主板开槽基础上的添加，比主板开槽后的曲线中心频率只降低了10MHz，而且曲线形状基本没有变化，最低回损值变化也不大。-6dB回损点对应频率为2.36GHz和2.45GHz左右，2.48GHz处的回损值为-3.3dB，对应VSWR约为5.3，比主板开槽的情况性能有所降低，但变化不是很明显。因为有了主板的隔离作用，再加上主板在PCB天线位置已经开槽处理，所以较近的底壳对PCB天线的影响已经较小。
2. 顶壳对天线性能的影响：
如果在主板上面加上顶壳，距离5mm的顶壳，仿真结果为：
天线中心频率到了2.39GHz，回损值变化不大，-6dB回损点对应频率为2.35GHz和2.44GHz左右，2.48GHz处的回损值为-2.75dB，对应VSWR约为6.4，比只有底壳的性能有了明显降低。一般主板上面会焊接元件，所以顶壳距主板距离都较高，如果加大顶壳距主板间距到10mm，仿真结果为：
中心频率回到了2.41GHz，与只有底壳的情况相似，最低回损值变化不大。而-6dB回损点对应频率变为2.36GHz和2.45GHz左右，2.48GHz处的回损值变为-3.46dB，对应VSWR约为5.08，与只有底壳的情况已经基本一致。
如果顶壳距离加大到15mm，仿真结果为：
中心频率还是2.41GHz，而-6dB回损点对应频率也基本未变化，仍为2.36GHz和2.45GHz，可见继续加高顶壳已经没有多少影响。
3. 天线侧外壳对天线性能的影响：
PCB天线边的外壳距天线较近，有可能会对天线的性能造成影响。下图为侧面外壳距天线边1~5mm情况的仿真图：
图中可以看出，距离天线边缘1~2mm的外壳，会使天线的中心频率明显降低，相应也会使频段高端信道的发射接收造成一定影响。而3mm及更远的距离，侧面外壳对天线的影响已经较小，5mm以外可以认为几乎没有影响。
4. 结论：
从上述仿真结果可以看出，距离无线模块PCB天线较近的产品外壳也会对天线性能造成一定影响，但如果底面及侧面间距到了5mm以上，顶部外壳在10mm以上，对天线性能的影响已经非常小，可以忽略了。外壳对天线性能的影响，其实不止针对于PCB天线，对其他类型内置天线也有参考意义。当然，如果使用频带较宽的天线，这种影响都在允许范围内，基本不会影响天线的性能了。
根据以上仿真结果可以看出，在制作使用无线模块的电子产品时，从工业设计开始就要考虑天线模块及其上的PCB天线的放置问题，预留出靠近产品外壳的一个适当空间位置，避免金属组件及其他各种遮挡物的干扰，还要考虑天线辐射方向与产品安装方向是否恰当，以免给后期结构设计造成困难。而在产品结构设计阶段，需要在主PCB板的一个边缘留出一定净空面积，无线模块伸出主PCB或主PCB开槽，用于放置PCB天线，外壳也要留出一定间距，这样处理才能保证无线模块的发射及接收性能不受影响。
当然，以上结论都是使用软件仿真方式得到，实际产品与仿真结果会有一定差异，但有一定指导意义。
（以上为本人实际使用时的部分经验，有些方面还不够完整细致，欢迎批评指正）