本文介紹了一種小尺寸多層平面式螺旋天線，通過近場耦合實現在頻率范圍10～300MHz之間的短距離數據通信。這種平面式結構采用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、不同層間距、收發天線之間不同距離等對天線特性的影響進行仿真研究。仿真結果表明，隨著天線圈數的增加，天線的諧振頻率減小，電場減弱，而磁場增強。

　　近年來隨著電子信息技術與移動互聯網的蓬勃發展，短距離的無線通信技術越來越受到人們的關注。輕薄型移動電子設備的廣泛普及對天線提出了更高的設計要求，如要求天線尺寸足夠小、帶寬足夠寬等。如今國內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，對天線各種參數的計算更加準確。在螺旋天線基本模型基礎上，各種形狀和尺寸的螺旋天線結構不斷被應用于各種領域。文獻介紹了三種不同繞組形式下的多層平面式螺旋線圈結構。當工作在10kHz～10MHz頻段時，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一步增加的同時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構，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。根據右手螺旋關系，每層螺旋線圈的電流方向必須保持一致。這種平面式結構具有繞組一致性好、可重復性好、可靠性好等優點。

　　本文設計的一對收發螺旋天線，利用天線的近場耦合特性實現數據通信。利用HFSS軟件對這種小尺寸平面式螺旋天線的性能進行仿真，研究螺旋圈數和帶套筒對天線帶寬和諧振頻率的影響。

1、理論基礎

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

圖1　線圈產生的磁場

　　其強度可由式(1)給出：

　　式中：N 是線圈匝數，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，收發天線通過電感產生磁場進行耦合，信號通過磁耦合建立鏈路進行數據傳輸。耦合的本質是發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生感應電壓。耦合中利用天線線圈產生的未輻射出去的交變磁能的過程，相當于天線的輻射近場情況。本文采用的近場耦合通信系統如圖2所示。

圖2　螺旋天線近場耦合通信系統

結論

　　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，主要研究了收發天線在不同螺旋圈數、不同層間距、加上不銹鋼套筒對天線諧振頻點的影響，最后討論了收發天線之間距離的不同對天線傳輸的影響。由S 參數、場分布和表面電流分布可以看出，隨著圈數增加，工作頻率高于200MHz時，諧振點明顯向低頻段移動，當工作頻率低于200MHz時，諧振點降幅不明顯;當增加天線圈數時，天線的諧振頻率降低，電場減弱，而磁場增強，說明頻率越低，電磁場中起主要作用的是磁場強度。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，能使收發天線之間的近場耦合性能更好。