設(shè)計和仿真無線局域網(wǎng)設(shè)備天線

通過采用極化分集技術(shù)，可以用低成本PCB基片制造具有良好接收機(jī)性能的無線局域網(wǎng)設(shè)備(WLAN)天線。本文將描述如何使用最新的三維電磁場（EM）仿真工具來設(shè)計和仿真一對2.4 GHz正交極化的印刷偶極子天線，同時預(yù)測表面電流和相關(guān)的遠(yuǎn)場輻射圖。

 
與目前很多同一主題的文章不同，本文論述如何通過使用EM電路協(xié)同仿真，綜合考慮用于天線極化切換的基帶電路元件的效應(yīng)。采用本文所描述的方法，設(shè)計人員可從線性或非線性電路仿真中直接對天線激勵，而無須手動執(zhí)行數(shù)據(jù)傳遞。

概述

消費(fèi)類無線應(yīng)用要求天線應(yīng)隱蔽地安裝在無線產(chǎn)品中，且必須具有低成本和高性能。下面的示例描述了如何通過在FR4 PCB電路板上印刷雙正交偶極子天線，來滿足2.4GHz WLAN應(yīng)用的上述要求。當(dāng)PCB電路板被垂直放置時，垂直或水平偶極子天線將分別優(yōu)先發(fā)射和接收垂直或水平極化的信號，如圖1所示。
通過在天線單元中建立可檢測和切換較強(qiáng)信號的電路，可以使用這種極化分集技術(shù)來降低多路徑反射和干擾對WLAN網(wǎng)絡(luò)的影響。這種天線的設(shè)計和分析已經(jīng)在一些文獻(xiàn)中詳細(xì)描述，所以本文將通過使用電磁場（EM）仿真來快速分析天線的特性，進(jìn)一步再使用電磁場與電路協(xié)同仿真技術(shù)來分析開關(guān)電路對天線性能的影響。

圖1 PCB電路板上兩個印刷偶極子天線和開關(guān)電路構(gòu)成的極化分集

使用電磁場仿真對天線設(shè)計進(jìn)行快速分析

圖2 2.4GHz印刷偶極子天線的三維結(jié)構(gòu)和幾何尺寸

圖2顯示了偶極子天線的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸。

使用Agilent EEsof EDA的Momentum三維平面電磁場仿真器天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確仿真，結(jié)果與公認(rèn)的數(shù)據(jù)相吻合。Momentum三維平面電磁場仿真器在典型的筆記本電腦（HP xw4400 Intel Dual Core 6600 2.4GHz Win XP 64bit 2GB RAM）上運(yùn)行，仿真時間為一分鐘。由于這樣快速的仿真，我們可以快速分析幾何形狀或材料參數(shù)等變量變化時天線的特性。

圖3顯示了FR4介電常數(shù)在4.2～5.0之間的變化對偶極子天線諧振頻率的影響。此處我們注意到，介電常數(shù)越高，則共振頻率越低。這個結(jié)果不出所料，因?yàn)橄鄬τ诮殡姵?shù)升高而造成基片材料中的波長減少，偶極子天線本身具有較大的電尺寸。當(dāng)設(shè)計低制造成本產(chǎn)品時，通常會存在這些變化，考慮這些因素特別重要。

圖3 FR4PCB介電常數(shù)變化對天線諧振頻率的影響

通過查看圖4中顯示的幾何結(jié)構(gòu)的變化對天線表面電流的影響，可對天線設(shè)計得到進(jìn)一步的了解。表面電流圖對診斷失配或不希望有的耦合的來源非常有幫助，圖中的電流密度用多種顏色來表示，并通過對電流相位進(jìn)行360°掃描動態(tài)刷新而得到動畫效果?，F(xiàn)在，可以看到電流是如何被引入到相鄰結(jié)構(gòu)中或在何處引起了不希望有的諧振，從而進(jìn)一步進(jìn)行修正。這比傳統(tǒng)的試探法多次加工和調(diào)整電路板或不斷地進(jìn)行切割、粘貼電路板要精確和高效得多。

圖4 印刷偶極子天線上的表面電流的動畫顯示有助于確定和修正與相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生不希望有的耦合，或發(fā)生反射和諧振的位置

Momentum中使用的矩量法（MOM）仿真技術(shù)假設(shè)介質(zhì)平面是無限大的。大多數(shù)應(yīng)用都近似滿足這樣的條件。在必須考慮有限介質(zhì)效應(yīng)的情況下（如印刷偶極非常緊密地貼近PCB邊緣時），可以通過全三維電磁場仿真工具，使用有限元方法（FEM）進(jìn)行分析。圖5顯示了使用由Agilent EEs of EDA開發(fā)的電磁設(shè)計系統(tǒng)（EMDS）進(jìn)行仿真的情形，將偶極子天線先后放置在與PCB邊緣間隔5mm和2mm的位置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)諧振頻率發(fā)生了大約100MHz的偏移。

圖5 全三維電磁場仿真顯示印刷偶極子天線在靠近PCB邊緣時的效應(yīng)。將偶極子天線從距離PCB邊緣5mm處移動到2mm處時，諧振頻率向上偏移100MHz

圖6 由于矩量法（MOM）計算中固有的無限大介質(zhì)平面假設(shè)，因此矩量法計算出來的偶極子天線遠(yuǎn)場圖顯示在PCB平面方向上沒有任何輻射。右側(cè)為較精確的有限元方法（FEM）計算的遠(yuǎn)場圖，如顏色漸變所示，其輻射功率的螺旋形分布更為平滑

圖6中比較了Momentum和EMDS預(yù)測的偶極子天線遠(yuǎn)場輻射圖。由于EMDS在計算過程中不需要假設(shè)無限PCB介質(zhì)平面的條件，所以其預(yù)測的遠(yuǎn)場圖比矩量法技術(shù)預(yù)測的遠(yuǎn)場圖更精確（矩量法仿真的結(jié)果顯示了在假設(shè)的無限PCB平面方向上沒有任何輻射）。

將電路元件和天線一起進(jìn)行協(xié)同仿真和協(xié)同優(yōu)化

為了充分利用極化分集技術(shù)，可通過使用pin二極管構(gòu)成的開關(guān)電路與偶極子天線連接，對偶極子天線進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)閉。

 
其間我們必須考慮：

● 開關(guān)電路對整體天線性能的影響。
● 一個偶極子天線對另一個偶極子天線的影響。
● 對處于天線和收發(fā)信機(jī)之間的開關(guān)電路進(jìn)行電路匹配。

圖7 電磁場與電路協(xié)同仿真可對雙天線和開關(guān)電路一起進(jìn)行分析和優(yōu)化，還可以應(yīng)用在DSP控制下的自適應(yīng)天線匹配和波束成形上

通過使用先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)（ADS）平臺中集成的Momentum執(zhí)行電磁場與電路協(xié)同仿真，可對上述因素進(jìn)行分析。圖7顯示了雙偶極子天線和開關(guān)電路的協(xié)同仿真設(shè)置，此處使用+5V或  -5V控制電壓對接在每個偶極子天線之后的PIN二極管進(jìn)行偏置來實(shí)現(xiàn)極化選擇。圖8顯示了從兩個雙偶極子天線的共用饋電處得到的S11反射系數(shù)。

圖8 極化分集偶極子天線的反射系數(shù)，包括了極化開關(guān)電路的效應(yīng)

從現(xiàn)在開始，如果需要通過調(diào)整偶極子天線的幾何尺寸和改變開關(guān)電路的參數(shù)來優(yōu)化偶極子天線的共振頻率或S11匹配，可以在ADS中執(zhí)行電磁場與電路協(xié)同仿真。在軟件定義無線電環(huán)境中，如單一天線必須能夠在不同的頻率和帶寬上工作，同樣可以使用類似的技術(shù)來設(shè)計在DSP控制下的自適應(yīng)天線匹配或波束成形網(wǎng)絡(luò)。它同樣有助于對電容器矩陣進(jìn)行切換的自適應(yīng)開關(guān)電路，在手機(jī)與使用者相距不同距離時自適應(yīng)電路通過切換不同的電容跟蹤匹配不斷變化的天線特性。