设计和仿真无线局域网设备(WLAN)天线

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通过采用极化分集技术，可以用低成本PCB基片制造具有良好接收机性能的无线局域网设备(WLAN)天线。
         
        本文将描述如何使用最新的三维电磁场（EM）仿真工具来设计和仿真一对2.4 GHz正交极化的印刷偶极子天线，同时预测表面电流和相关的远场辐射图。
       
       
        与目前很多同一主题的文章不同，本文论述如何通过使用EM电路协同仿真，综合考虑用于天线极化切换的基带电路元件的效应。采用本文所描述的方法，设计人员可从线性或非线性电路仿真中直接对天线激励，而无须手动执行数据传递。
         
        概述
        消费类无线应用要求天线应隐蔽地安装在无线产品中，且必须具有低成本和高性能。下面的示例描述了如何通过在FR4 PCB电路板上印刷双正交偶极子天线，来满足2.4GHz WLAN应用的上述要求。当PCB电路板被垂直放置时，垂直或水平偶极子天线将分别优先发射和接收垂直或水平极化的信号，如图1所示。
         
        通过在天线单元中建立可检测和切换较强信号的电路，可以使用这种极化分集技术来降低多路径反射和干扰对WLAN网络的影响。
         
        这种天线的设计和分析已经在一些文献中详细描述，所以本文将通过使用电磁场（EM）仿真来快速分析天线的特性，进一步再使用电磁场与电路协同仿真技术来分析开关电路对天线性能的影响。
         

       

        图1 PCB电路板上两个印刷偶极子天线和开关电路构成的极化分集

         

        使用电磁场仿真对天线设计进行快速分析

       

        图2 2.4GHz印刷偶极子天线的三维结构和几何尺寸

         

        使用Agilent EEsof EDA的Momentum三维平面电磁场仿真器天线结构进行精确仿真，结果与公认的数据相吻合。Momentum三维平面电磁场仿真器在典型的笔记本电脑（HP xw4400 Intel Dual Core 6600 2.4GHz Win XP 64bit 2GB RAM）上运行，仿真时间为一分钟。由于这样快速的仿真，我们可以快速分析几何形状或材料参数等变量变化时天线的特性。
         
        图3显示了FR4介电常数在4.2～5.0之间的变化对偶极子天线谐振频率的影响。此处我们注意到，介电常数越高，则共振频率越低。这个结果不出所 料，因为相对于介电常数升高而造成基片材料中的波长减少，偶极子天线本身具有较大的电尺寸。当设计低制造成本产品时，通常会存在这些变化，考虑这些因素特 别重要。

       

        图3 FR4PCB介电常数变化对天线谐振频率的影响

         

        通过查看图4中显示的几何结构的变化对天线表面电流的影响，可对天线设计得到进一步的了解。
        表面电流图对诊断失配或不希望有的耦合的来源非常有帮助，图中的电流密度用多种颜色来表示，并通过对电流相位进行360°扫描动态刷新而得到动画效果。
         
        现在，可以看到电流是如何被引入到相邻结构中或在何处引起了不希望有的谐振，从而进一步进行修正。
        这比传统的试探法多次加工和调整电路板或不断地进行切割、粘贴电路板要精确和高效得多。

       

        图4 印刷偶极子天线上的表面电流的动画显示有助于确定和修正与相邻结构发生不希望有的耦合，或发生反射和谐振的位置
         
        Momentum中使用的矩量法（MOM）仿真技术假设介质平面是无限大的。大多数应用都近似满足这样的条件。在必须考虑有限介质效应的情况下（如印刷偶极非常紧密地贴近PCB边缘时），可以通过全三维电磁场仿真工具，使用有限元方法（FEM）进行分析。图5显示了使用由Agilent EEs of EDA开发的电磁设计系统（EMDS）进行仿真的情形，将偶极子天线先后放置在与PCB边缘间隔5mm和2mm的位置，结果发现谐振频率发生了大约100MHz的偏移。

       

         

        图5 全三维电磁场仿真显示印刷偶极子天线在靠近PCB边缘时的效应。将偶极子天线从距离PCB边缘5mm处移动到2mm处时，谐振频率向上偏移100MHz
         

       

        图6 由于矩量法（MOM）计算中固有的无限大介质平面假设，因此矩量法计算出来的偶极子天线远场图显示在PCB平面方向上没有任何辐射。右侧为较精确的有限元方法（FEM）计算的远场图，如颜色渐变所示，其辐射功率的螺旋形分布更为平滑
       
        图6中比较了Momentum和EMDS预测的偶极子天线远场辐射图。由于EMDS在计算过程中不需要假设无限PCB介质平面的条件，所以其预测的远场图比矩量法技术预测的远场图更精确（矩量法仿真的结果显示了在假设的无限PCB平面方向上没有任何辐射）。
         
        将电路元件和天线一起进行协同仿真和协同优化
       
        为了充分利用极化分集技术，可通过使用pin二极管构成的开关电路与偶极子天线连接，对偶极子天线进行导通和关闭。
       
        其间我们必须考虑：
       
        ● 开关电路对整体天线性能的影响。
        ● 一个偶极子天线对另一个偶极子天线的影响。
        ● 对处于天线和收发信机之间的开关电路进行电路匹配。

       

        图7 电磁场与电路协同仿真可对双天线和开关电路一起进行分析和优化，还可以应用在DSP控制下的自适应天线匹配和波束成形上
         
       
        通过使用先进设计系统（ADS）平台中集成的Momentum执行电磁场与电路协同仿真，可对上述因素进行分析。图7显示了双偶极子天线和开关电路的协同仿真设置，此处使用+5V或  -5V控制电压对接在每个偶极子天线之后的PIN二极管进行偏置来实现极化选择。图8显示了从两个双偶极子天线的共用馈电处得到的S11反射系数。

       

        图8 极化分集偶极子天线的反射系数，包括了极化开关电路的效应

       
        从现在开始，如果需要通过调整偶极子天线的几何尺寸和改变开关电路的参数来优化偶极子天线的共振频率或S11匹配，可以在ADS中执行电磁场与电路协同仿真。在软件定义无线电环境中，如单一天线必须能够在不同的频率和带宽上工作，同样可以使用类似的技术来设计在DSP控制下的自适应天线匹配或波束成形网络。它同样有助于对电容器矩阵进行切换的自适应开关电路，在手机与使用者相距不同距离时自适应电路通过切换不同的电容跟踪匹配不断变化的天线特性。