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

Momentum中使用的矩量法（MOM）仿真技術(shù)假設(shè)介質(zhì)平面是無限大的。大多數(shù)應(yīng)用都近似滿足這樣的條件。在必須考慮有限介質(zhì)效應(yīng)的情況下（如印刷偶極非常緊密地貼近PCB邊緣時(shí)），可以通過全三維電磁場(chǎng)仿真工具，使用有限元方法（FEM）進(jìn)行分析。圖5顯示了使用由Agilent EEs of EDA開發(fā)的電磁設(shè)計(jì)系統(tǒng)（EMDS）進(jìn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)諧振頻率發(fā)生了大約100MHz的偏移。

圖5 全三維電磁場(chǎng)仿真顯示印刷偶極子天線在靠近PCB邊緣時(shí)的效應(yīng)。將偶極子天線從距離PCB邊緣5mm處移動(dòng)到2mm處時(shí)，諧振頻率向上偏移100MHz

圖6 由于矩量法（MOM）計(jì)算中固有的無限大介質(zhì)平面假設(shè)，因此矩量法計(jì)算出來的偶極子天線遠(yuǎn)場(chǎng)圖顯示在PCB平面方向上沒有任何輻射。右側(cè)為較精確的有限元方法（FEM）計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)圖，如顏色漸變所示，其輻射功率的螺旋形分布更為平滑

圖6中比較了Momentum和EMDS預(yù)測(cè)的偶極子天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。由于EMDS在計(jì)算過程中不需要假設(shè)無限PCB介質(zhì)平面的條件，所以其預(yù)測(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)圖比矩量法技術(shù)預(yù)測(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)圖更精確（矩量法仿真的結(jié)果顯示了在假設(shè)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(jìn)行協(xié)同仿真和協(xié)同優(yōu)化

為了充分利用極化分集技術(shù)，可通過使用pin二極管構(gòu)成的開關(guān)電路與偶極子天線連接，對(duì)偶極子天線進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)閉。

 
其間我們必須考慮：

● 開關(guān)電路對(duì)整體天線性能的影響。
● 一個(gè)偶極子天線對(duì)另一個(gè)偶極子天線的影響。
● 對(duì)處于天線和收發(fā)信機(jī)之間的開關(guān)電路進(jìn)行電路匹配。

圖7 電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真可對(duì)雙天線和開關(guān)電路一起進(jìn)行分析和優(yōu)化，還可以應(yīng)用在DSP控制下的自適應(yīng)天線匹配和波束成形上

通過使用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS）平臺(tái)中集成的Momentum執(zhí)行電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真，可對(duì)上述因素進(jìn)行分析。圖7顯示了雙偶極子天線和開關(guān)電路的協(xié)同仿真設(shè)置，此處使用+5V或  -5V控制電壓對(duì)接在每個(gè)偶極子天線之后的PIN二極管進(jìn)行偏置來實(shí)現(xiàn)極化選擇。圖8顯示了從兩個(gè)雙偶極子天線的共用饋電處得到的S11反射系數(shù)。

圖8 極化分集偶極子天線的反射系數(shù)，包括了極化開關(guān)電路的效應(yīng)

從現(xiàn)在開始，如果需要通過調(diào)整偶極子天線的幾何尺寸和改變開關(guān)電路的參數(shù)來優(yōu)化偶極子天線的共振頻率或S11匹配，可以在ADS中執(zhí)行電磁場(chǎng)與電路協(xié)同仿真。在軟件定義無線電環(huán)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(shù)來設(shè)計(jì)在DSP控制下的自適應(yīng)天線匹配或波束成形網(wǎng)絡(luò)。它同樣有助于對(duì)電容器矩陣進(jìn)行切換的自適應(yīng)開關(guān)電路，在手機(jī)與使用者相距不同距離時(shí)自適應(yīng)電路通過切換不同的電容跟蹤匹配不斷變化的天線特性。