設計和仿真無線局域網設備天線

對帶有開關電路的2.4 GHz極化分集印刷天線進行電磁場及電磁場與電路協同仿真

通過采用極化分集技術，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，而無須手動執行數據傳遞。

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先發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來降低多路徑反射和干擾對WLAN網絡的影響。這種天線的設計和分析已經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同仿真技術來分析開關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構和幾何尺寸。

使用Agilent EEsof EDA的Momentum三維平面電磁場仿真器天線結構進行精確仿真，結果與公認的數據相吻合。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等變量變化時天線的特性。

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中顯示的幾何結構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°掃描動態刷新而得到動畫效果。現在，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，從而進一步進行修正。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)仿真技術假設介質平面是無限大的。大多數應用都近似滿足這樣的條件。在必須考慮有限介質效應的情況下(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)進行分析。圖5顯示了使用由Agilent EEs of EDA開發的電磁設計系統(EMDS)進行仿真的情形，將偶極子天線先后放置在與PCB邊緣間隔5mm和2mm的位置，結果發現諧振頻率發生了大約100MHz的偏移。

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

將電路元件和天線一起進行協同傷真和協同優化

為了充分利用極化分集技術，可通過使用pin二極管構成的開關電路與偶極子天線連接，對偶極子天線進行導通和關閉。

其間我們必須考慮：

·開關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。
·對處于天線和收發信機之間的開關電路進行電路匹配。

通過使用先進設計系統(ADS)平臺中集成的Momentum執行電磁場與電路協同仿真，可對上述因素進行分析。圖7顯示了雙偶極子天線和開關電路的協同仿真設置，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二極管進行偏置來實現極化選擇。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。

從現在開始，如果需要通過調整偶極子天線的幾何尺寸和改變開關電路的參數來優化偶極子天線的共振頻率或S11匹配，可以在ADS中執行電磁場與電路協同仿真。在軟件定義無線電環境中，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來設計在DSP控制下的自適應天線匹配或波束成形網絡。它同樣有助于對電容器矩陣進行切換的自適應開關電路，在手機與使用者相距不同距離時自適應電路通過切換不同的電容跟蹤匹配不斷變化的天線特性。