無線局域網(wǎng)設備天線的設計和仿真

對帶有開關(guān)電路的2.4 GHz極化分集印刷天線進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性能的無線局域網(wǎng)設備(WLAN)天線。本文將描述如何使用最新的三維電磁場(EM)仿真工具來設計和仿真一對2.4GHz正交極化的印刷偶極子天線，同時預測表面電流和相關(guān)的遠場輻射圖。

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。采用本文所描述的方法，設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

消費類無線應用要求天線應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應用的上述要求。當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)絡的影響。這種天線的設計和分析已經(jīng)在一些文獻中詳細描述，所以本文將通過使用電磁場(EM)仿真來快速分析天線的特性，進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計進行快速分析

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)進行精確仿真，結(jié)果與公認的數(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，因為相對于介電常數(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。當設計低制造成本產(chǎn)品時，通常會存在這些變化，考慮這些因素特別重要。

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，可對天線設計得到進一步的了解。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，從而進一步進行修正。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行切割、粘貼電路板要精確和高效得多。