Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2009 №1

Проектирование и моделирование WLAN антенн для беспроводных сетей

Ван-Хек Барт

Яп Хо-Синг


Принцип разнесения по поляризации позволяет создавать недорогие антенны WLAN в виде печатных проводников с хорошими характеристиками приема. В статье описано проектирование и моделирование двух дипольных WLAN антенн с ортогональной поляризацией, работающих на частоте 2,4 ГГц, с применением новейших средств объемного электромагнитного (ЭМ) моделирования для расчета поверхностных токов и соответствующих диаграмм направленности в дальней зоне.

Введение

В отличие от других статей, посвященных этому вопросу, здесь более подробно рассматривается совместное ЭМ-схемотехническое моделирование, позволяющее учесть влияние низкочастотных элементов, ответственных за переключение поляризации WLAN антенны. Такой метод дает возможность возбуждать WLAN антенны непосредственно от линейного или нелинейного симулятора цепи и обойтись без ручного переноса данных.

Антенны бытовых беспроводных устройств должны быть небольшими и обладать хорошими характеристиками при достаточно низкой цене. В статье приведен пример конструкции такой антенны, состоящей из двух ортогональных дипольных WLAN антенн на печатной плате из стеклотекстолита FR4, для работающих на частоте 2,4 ГГц устройств WLAN. При вертикальной ориентации печатной платы вертикальный и горизонтальный диполи передают и принимают сигналы вертикальной или горизонтальной поляризации соответственно (рис. 1).

Разнесение поляризации с помощью двух дипольных WLAN антенн и коммутатора, расположенных на печатной плате

Создав схему, которая обнаруживает и включает WLAN антенну с наиболее сильным сигналом, мы можем использовать принцип разнесения по поляризации для снижения влияния многолучевых отражений и помех в беспроводных сетях WLAN. Подробное обсуждение конструкции и анализ этой антенны можно найти в работе С. Алалуси и Р. Бродерсена [1], поэтому в настоящей статье мы будем рассматривать применение ЭМ-моделирования для быстрой оценки поведения WLAN антенны и совместного ЭМ-схемотехнического моделирования для анализа влияния коммутирующих цепей на характеристики антенны.

Ускорение анализа WLAN антенны с помощью ЭМ-моделирования

Геометрическая конфигурация и размеры дипольной WLAN антенны показаны на рис. 2.

Трехмерная геометрическая конфигурация и размеры дипольной WLAN антенны с рабочей частотой 2,4 ГГц

Конструкция антенны моделировалась при помощи САПР Momentum компании Agilent — решения для планарного трехмерного ЭМ-моделирования, причем полученные результаты точно совпадают с опубликованными прежде данными [1] и полученыбуквальнозаминутунаноутбукеHP xw4400 Intel Dual Core 6600 2,4 ГГц, Win XP 64bit с2 Гбайт оперативной памяти. Такая скорость моделирования позволяет глубже анализировать поведение WLAN антенны при изменении ее геометрии или свойств материалов, из которых она изготовлена.

На рис. 3 показано влияние диэлектрической проницаемости материала FR4 (при изменении ее в диапазоне от 4,2 до 5,0) на резонансную частоту диполя. Видно, что повышение диэлектрической проницаемости приводит к снижению резонансной частоты, чего и следовало ожидать, поскольку электрическая длина диполя превышает уменьшенную длину волны в подложке с высокой диэлектрической проницаемостью. Такой анализ особенно важен при проектировании недорогих устройств, допускающих разброс электрических параметров.

Влияние диэлектрической проницаемости стеклотекстолита FR4 на резонансную частоту WLAN антенны

Дополнительную информацию можно получить, рассмотрев влияние изменений геометрии на протекание поверхностных токов WLAN антенны, как показано на рис. 4. Диаграмма поверхностных токов полезна для диагностики причин рассогласования или нежелательного взаимовлияния, поскольку распределение плотности тока отображается разными оттенками цвета и может анимироваться путем свипирования фазы в пределах более 360 градусов. Анимация поверхностныхтоков дипольной WLAN антенны полезна для выявления и устранения точек, в которых возникает паразитная связь с соседними структурами, отражение или резонанс. Это позволяет увидеть и скорректировать токи, наводимые в соседних структурах, или непредвиденные резонансы, возникающие из-за особенностей геометрии. Такой метод значительно точнее и эффективнее, чем многократные повороты платы и настройка с применением традиционных методов подрезки и проверки.

Анимация поверхностных токов дипольной WLAN антенны

Технология моделирования с применением метода моментов (MOM), используемая в решении Momentum, основывается на предположении о бесконечной диэлектрической плоскости. В ситуациях, когда нужно учитывать влияние конечных размеров диэлектрика (например, если печатный диполь расположен очень близко к краям печатной платы), можно применять полное трехмерное ЭМ-моделирование по методу конечных элементов (FEM). На рис. 5 показан процесс моделирования в системе электромагнитного проектирования EMDS компании Agilent. Видно, что при перемещении диполя с 5 до 2 мм от края печатной платы наблюдается смещение резонансной частоты почти на 100 МГц.

Полное трехмерное ЭМ-моделирование

Рассчитанные диаграммы излучения диполя в дальней зоне, полученные в САПР Momentum и EMDS соответственно, представлены на рис. 6.

Поле диполя в дальней зоне

Поле диполя в дальней зоне, полученное по методу моментов (MOM), не показывает излучения в плоскости печатной платы из-за присущего методу MOM предположения о ее бесконечных размерах. Поскольку EMDS не нуждается в предположении о бесконечном размере диэлектрика, диаграмма излучения в дальней зоне получается точнее, чем по методу моментов, который не показывает излучение в плоскости гипотетической бесконечной печатной платы. Более точный расчет поля в дальней зоне обеспечивает метод конечных элементов (FEM), который демонстрирует более равномерное тороидальное распределение излучаемой мощности, что видно по изменению цветовых оттенков.

Совместное моделирование и оптимизация элементов схемы и WLAN антенны

Для максимально эффективного применения метода разнесения по поляризации диполи селективно включаются и отключаются коммутатором на PIN-диоде. При этом необходимо учитывать:

  • влияние коммутатора на общие характеристики WLAN антенны;
  • влияние одного диполя на другой;
  • согласование коммутатора с антенной и трансивером.

Эти эффекты можно проанализировать путем совместного ЭМ-схемотехнического моделирования при помощи решения Momentum, работающего в составе системы автоматизированного проектирования ADS, что позволяет совместно анализировать и оптимизировать две антенны и цепь коммутации. Такое моделирование можно применять для адаптивного согласования WLAN антенны и формирования диаграммы направленности под управлением DSP. На рис. 7 показана схема совместного моделирования двух диполей и цепи коммутации, в которой выбор поляризации выполняется путем подачи управляющего напряжения +5 или –5 В на PIN-диод, расположенный в основании каждого диполя. Коэффициент отражения S11, полученный из общего сигнала двух диполей, показан на рис. 8. Эти результаты хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными [1].

Совместное ЭМ-схемотехническое моделирование
Коэффициент отражения диполей с разнесенной поляризацией с учетом влияния цепи коммутации

Теперь, если нужно оптимизировать резонансную частоту диполя или согласование S11 путем изменения геометрии или параметров цепи коммутации, можно выполнить совместную ЭМ-схемотехническую оптимизацию в ADS. Аналогичные методы можно использовать для расчета адаптивного согласования WLAN антенн или систем формирования диаграммы направленности[2] под управлением DSP в программных радиосистемах, где одна антенна должна работать на разных частотах с разными полосами пропускания. Также этот метод полезен при адаптивном переключении конденсаторных матриц для согласования изменяющихся характеристик WLAN антенны в сотовом телефоне, работающем на разных расстояниях от абонента [3].

Литература

  1. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques. 2003. Т. 51. № 2.
  2. Алалуси С., Бродерсен Р. Интерфейс 4-канальной адаптивной антенной решетки на частоту 60 ГГц на элементах КМОП: http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Presentations/Retreats/Winter_Retreat_2005/WednesdayPM/Win05%20Sayf.pdf
  3. Модуль адаптивного согласования антенны на основе RF-MEMS // Материалы симпозиума IEEE по радиочастотным интегральным схемам, 2007 г.
  4. www.agilent.com/find/eesof.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке