無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設(shè)備天線(xiàn)的設(shè)計(jì)和仿真

對(duì)帶有開(kāi)關(guān)電路的2.4 GHz極化分集印刷天線(xiàn)進(jìn)行電磁場(chǎng)及電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真

通過(guò)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設(shè)備(WLAN)天線(xiàn)。本文將描述如何使用最新的三維電磁場(chǎng)(EM)仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)和仿真一對(duì)2.4GHz正交極化的印刷偶極子天線(xiàn)，同時(shí)預(yù)測(cè)表面電流和相關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)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(guò)使用EM電路協(xié)同仿真，綜合考慮用于天線(xiàn)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(jì)人員可從線(xiàn)性或非線(xiàn)性電路仿真中直接對(duì)天線(xiàn)激勵(lì)，而無(wú)須手動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳遞。

概述

消費(fèi)類(lèi)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用要求天線(xiàn)應(yīng)隱蔽地安裝在無(wú)線(xiàn)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(guò)在FR4 PCB電路板上印刷雙正交偶極子天線(xiàn)，來(lái)滿(mǎn)足2.4GHz WLAN應(yīng)用的上述要求。當(dāng)PCB電路板被垂直放置時(shí)，垂直或水平偶極子天線(xiàn)將分別優(yōu)先發(fā)射和接收垂直或水平極化的信號(hào)，如圖1所示。

通過(guò)在天線(xiàn)單元中建立可檢測(cè)和切換較強(qiáng)信號(hào)的電路，可以使用這種極化分集技術(shù)來(lái)降低多路徑反射和干擾對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)的影響。這種天線(xiàn)的設(shè)計(jì)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(guò)使用電磁場(chǎng)(EM)仿真來(lái)快速分析天線(xiàn)的特性，進(jìn)一步再使用電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真技術(shù)來(lái)分析開(kāi)關(guān)電路對(duì)天線(xiàn)性能的影響。

使用電磁場(chǎng)仿真對(duì)天線(xiàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行快速分析

圖2顯示了偶極子天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸。

使用Agilent EEsof EDA的Momentum三維平面電磁場(chǎng)仿真器天線(xiàn)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(chǎng)仿真器在典型的筆記本電腦(HP xw4400Intel Dual Core 6600 2.4GHz WinXP 64bit 2GB RAM)上運(yùn)行，仿真時(shí)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(shí)天線(xiàn)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(duì)偶極子天線(xiàn)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(gè)結(jié)果不出所料，因?yàn)橄鄬?duì)于介電常數(shù)升高而造成基片材料中的波長(zhǎng)減少，偶極子天線(xiàn)本身具有較大的電尺寸。當(dāng)設(shè)計(jì)低制造成本產(chǎn)品時(shí)，通常會(huì)存在這些變化，考慮這些因素特別重要。

通過(guò)查看圖4中顯示的幾何結(jié)構(gòu)的變化對(duì)天線(xiàn)表面電流的影響，可對(duì)天線(xiàn)設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步的了解。表面電流圖對(duì)診斷失配或不希望有的耦合的來(lái)源非常有幫助，圖中的電流密度用多種顏色來(lái)表示，并通過(guò)對(duì)電流相位進(jìn)行360°掃描動(dòng)態(tài)刷新而得到動(dòng)畫(huà)效果。現(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。