無線局域網(wǎng)設(shè)備天線的設(shè)計(jì)和仿真

對帶有開關(guān)電路的2.4 GHz極化分集印刷天線進(jìn)行電磁場及電磁場與電路協(xié)同仿真

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(jì)和仿真一對2.4GHz正交極化的印刷偶極子天線，同時(shí)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(jì)人員可從線性或非線性電路仿真中直接對天線激勵(lì)，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(shí)，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(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。

使用電磁場仿真對天線設(shè)計(jì)進(jìn)行快速分析

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 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(gè)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(jì)低制造成本產(chǎn)品時(shí)，通常會存在這些變化，考慮這些因素特別重要。

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(jì)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。