無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)終端天線(xiàn)仿真設計

對帶有開(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性能的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設備(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)設計和仿真一對2.4GHz正交極化的印刷偶極子天線(xiàn)，同時(shí)預測表面電流和相關(guān)的遠場(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。采用本文所描述的方法，設計人員可從線(xiàn)性或非線(xiàn)性電路仿真中直接對天線(xiàn)激勵，而無(wú)須手動(dòng)執行數據傳遞。

概述

消費類(lèi)無(wú)線(xiàn)應用要求天線(xiàn)應隱蔽地安裝在無(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應用的上述要求。當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，如圖1所示。

通過(guò)在天線(xiàn)單元中建立可檢測和切換較強信號的電路，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WLAN網(wǎng)絡(luò )的影響。這種天線(xiàn)的設計和分析已經(jīng)在一些文獻中詳細描述，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)電路對天線(xiàn)性能的影響。

使用電磁場(chǎng)仿真對天線(xiàn)設計進(jìn)行快速分析

圖2顯示了偶極子天線(xiàn)的結構和幾何尺寸。

使用Agilent EEsof EDA的Momentum三維平面電磁場(chǎng)仿真器天線(xiàn)結構進(jìn)行精確仿真，結果與公認的數據相吻合。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等變量變化時(shí)天線(xiàn)的特性。

圖3顯示了FR4介電常數在4.2～5.0之間的變化對偶極子天線(xiàn)諧振頻率的影響。此處我們注意到，介電常數越高，則共振頻率越低。這個(gè)結果不出所料，因為相對于介電常數升高而造成基片材料中的波長(cháng)減少，偶極子天線(xiàn)本身具有較大的電尺寸。當設計低制造成本產(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中顯示的幾何結構的變化對天線(xiàn)表面電流的影響，可對天線(xiàn)設計得到進(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(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?，F在，可以看到電流是如何被引入到相鄰結構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。這比傳統的試探法多次加工和調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。

Momentum中使用的矩量法(MOM)仿真技術(shù)假設介質(zhì)平面是無(wú)限大的。大多數應用都近似滿(mǎn)足這樣的條件。在必須考慮有限介質(zhì)效應的情況下(如印刷偶極非常緊密地貼近PCB邊緣時(shí))，可以通過(guò)全三維電磁場(chǎng)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(kāi)發(fā)的電磁設計系統(EMDS)進(jìn)行仿真的情形，將偶極子天線(xiàn)先后放置在與PCB邊緣間隔5mm和2mm的位置，結果發(fā)現諧振頻率發(fā)生了大約 100MHz的偏移。

圖6中比較了Momentum和EMDS預測的偶極子天線(xiàn)遠場(chǎng)輻射圖。由于EMDS在計算過(guò)程中不需要假設無(wú)限PCB介質(zhì)平面的條件，所以其預測的遠場(chǎng)圖比矩量法技術(shù)預測的遠場(chǎng)圖更精確(矩量法仿真的結果顯示了在假設的無(wú)限PCB平面方向上沒(méi)有任何輻射)。

將電路元件和天線(xiàn)一起進(jìn)行協(xié)同傷真和協(xié)同優(yōu)化

為了充分利用極化分集技術(shù)，可通過(guò)使用pin二極管構成的開(kāi)關(guān)電路與偶極子天線(xiàn)連接，對偶極子天線(xiàn)進(jìn)行導通和關(guān)閉。

其間我們必須考慮：

·開(kāi)關(guān)電路對整體天線(xiàn)性能的影響。
·一個(gè)偶極子天線(xiàn)對另一個(gè)偶極子天線(xiàn)的影響。
·對處于天線(xiàn)和收發(fā)信機之間的開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行電路匹配。

通過(guò)使用先進(jìn)設計系統(ADS)平臺中集成的Momentum執行電磁場(chǎng)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(xiàn)和開(kāi)關(guān)電路的協(xié)同仿真設置，此處使用+5V或-5V控制電壓對接在每個(gè)偶極子天線(xiàn)之后的PIN二極管進(jìn)行偏置來(lái)實(shí)現極化選擇。圖8顯示了從兩個(gè)雙偶極子天線(xiàn)的共用饋電處得到的S11反射系數。

從現在開(kāi)始，如果需要通過(guò)調整偶極子天線(xiàn)的幾何尺寸和改變開(kāi)關(guān)電路的參數來(lái)優(yōu)化偶極子天線(xiàn)的共振頻率或S11匹配，可以在A(yíng)DS中執行電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真。在軟件定義無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中，如單一天線(xiàn)必須能夠在不同的頻率和帶寬上工作，同樣可以使用類(lèi)似的技術(shù)來(lái)設計在DSP控制下的自適應天線(xiàn)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)行切換的自適應開(kāi)關(guān)電路，在手機與使用者相距不同距離時(shí)自適應電路通過(guò)切換不同的電容跟蹤匹配不斷變化的天線(xiàn)特性。