无线局域网终端天线仿真设计方案

　　对带有开关电路的2.4 GHz极化分集印刷天线进行电磁场及电磁场与电路协同的仿真的设计方案研究。

　　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的三维电磁场（EM）仿真工具来设计和仿真一对2.4GHz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。

　　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。

　　极化分集技术：在移动无线电环境中，信号衰落会产生严重的问题。随着移动台的移动，瑞利衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，它们使接收信号大大地恶化了。虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。通常在接收站址使用分集技术，因为接收设备是无源设备，所以不会产生任何干扰。分集的形式可分为两类，一是显分集，二是隐分集。

    下面仅讨论显分集，它又可以分为基站显分集与一般显分集两类。 基站显分集是由空间分离的几个基站全覆盖或部分覆盖同一区域。由于有多重信号可以利用，因此就大大减小了衰落的影响。因为电波传播的路径不同，地形地物的阴影效应不同，所以经过独立衰落路径传播的多个慢衰落信号是互不相关的。各信号同时发生深衰落的概率很小，若采用选择分集合并，从各支路信号中选取信噪比的支路，即选出的基站和移动台建立通信，以消除阴影效应和其他地理影响。所以，基站显分集又称为多基站分集。

　　印刷天线，设置于基板上，其包括信号馈入部与辐射体。信号馈入部用于馈入电磁波信号。辐射体用于收发电磁波信号，包括辐射部、第二辐射部及导引段。辐射部电性连接于信号馈入部，其包括弧形辐射段。第二辐射部电性连接于信号馈入部及辐射部。导引段呈弧形，与第二辐射部分别位于辐射部的两侧，且导引段与辐射部的弧形辐射段之间形成间隙。印刷天线体积小，且辐射性能强。

　　无线局域网：工作于2.5GHz或5GHz频段，以无线方式构成的局域网，它利用射频（Radio Frequency； RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它。

　　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。

　　使用电磁场仿真对天线设计进行快速分析

　　图2显示了偶极子天线的结构和几何尺寸。

　　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 xw4400Intel Dual Core 6600 2.4GHz WinXP 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。

　　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、粘贴电路板要和高效得多。

　　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（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伤真和协同优化

　　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。

　　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。

　　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。