設(shè)計(jì)和仿真無線局域網(wǎng)設(shè)備天線

　　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(chǎng)（EM）仿真工具來設(shè)計(jì)和仿真一對(duì)2.4 GHz正交極化的印刷偶極子天線，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(duì)天線激勵(lì)，而無須手動(dòng)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(hào)，如圖1所示。
通過在天線單元中建立可檢測(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)來降低多路徑反射和干擾對(duì)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(chǎng)（EM）仿真來快速分析天線的特性，進(jìn)一步再使用電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真技術(shù)來分析開關(guān)電路對(duì)天線性能的影響。

圖1 PCB電路板上兩個(gè)印刷偶極子天線和開關(guān)電路構(gòu)成的極化分集

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

圖2 2.4GHz印刷偶極子天線的三維結(jié)構(gòu)和幾何尺寸

　　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(chǎng)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(chǎng)仿真器在典型的筆記本電腦（HP xw4400 Intel Dual Core 6600 2.4GHz Win XP 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(duì)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?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。

圖3 FR4PCB介電常數(shù)變化對(duì)天線諧振頻率的影響

　　通過查看圖4中顯示的幾何結(jié)構(gòu)的變化對(duì)天線表面電流的影響，可對(duì)天線設(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(duì)電流相位進(jìn)行360°掃描動(dòng)態(tài)刷新而得到動(dòng)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。

圖4 印刷偶極子天線上的表面電流的動(dòng)畫顯示有助于確定和修正與相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生不希望有的耦合，或發(fā)生反射和諧振的位置