WLAN 2.5/5G + Bluetooth 3頻單極天線設計與調整


前言:

一般的無線電子產品所使用的天線不外乎內建天線或是外部天線,外加天線主要的差異是在於天線增益比內建天線好很多,因此在容許成本考量下會考慮外接天線;
但若產品的內建空間如果夠,其實可以使用內建天線將天線設計到PCB板上,只要空間夠,其天線效率也可以達到80%上下。這對於使用高通的 WiFi 與 BT 方案的客戶來搭配這範例的內建天線可以節省一個外接天線的成本。

隨著現在產品多樣整合性、因此在客戶不再只有2.4G、5G. 而有加入LTE-IoT、CPE相關的產品,而且在有限空間、成本及研發時程的考量下,
Ignion提供一個高度整合的chip antenna.可以在不更動antenna pattern 下只修改匹配電路就可以完成不同頻段的整合。下方的S11即是在不改變天線pattern 下只修改匹配線路就可以shift到所要使用的工作頻率。

https://ignion.io/



Introduction

在這一份文件中所使用的Tri-band antenna為monopole antenna.所包含的頻率為:
  • ‧BT 2.4 GHz (2.4–2.484 GHz),
  • 802.11b/g 2.4 GHz (2.4–2.484 GHz),
  • 11a 5.2 GHz WLAN (5.15–5.35 GHz) and
  • WLAN 5.8 GHz (5.725–5.825 GHz)
依照1/4波長的計算此天線長度約為30.7cm.依此長度繞成如Figure 1所示:

                  


L Band 為2.442GHz,H Band 為5.4875GHz,此monopole antenna所要求的frequency ratio 為2.25。



H/L Band Simulated current distribution.



由上方所示可以得知L Band時的電流分布為,其feed點看進去為電流分布最強至電流分布最弱;
H band 時的電流分布為,其feed進入後電流分布最強至電流強度最弱,
然後反向由電流分佈最小再慢慢增強最後至時再慢慢減弱至,故總長為3/4波長。
 
 
 
Adjustment of frequency ratio


     Method (一):
       如右圖所示,此天線初始設計為Lm=Wm=8.0mm,
       Shape Ratio 為8:8 = 1
                                       
                                               


      改變Shape Ratio來改變Return loss及頻率響應,其所調整為

       Shape Ratio 為6:10 = 0.6

                                         

      Shape Ratio 為10:6 = 1.67
                                               
                                                         
  

      其所改變的Return loss及頻率響應如下所示:
                
             
              
          由此可以得知在H Band時,ratio愈大會造成頻率往高頻的方向移動,但是Return Loss也會越來越大;

          而在L Band時Return Loss 會愈來愈小而頻寬也會愈來愈大。
          由上圖得知,如果作者要將此應用在BT、802.11a/b/g/ax三個頻帶上,則Ratio 1.67會是最好的選擇。
 
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   Method (二):
      作者使用capacitive loading/de-loading and inductive loading/de-loading.來改變頻寬及頻率響應。其方法為:

    .Capacitive de-loading:
        在電流分佈較小的地方減小天線寬度;其主要為減小天線中小電流分佈的磁場及電場密度,
        同時會縮短electric-length,藉以將頻率往高頻方向移動。

               
    .Inductive loading:
        在電流分佈較大的地方減小天線寬度;其主要為增加天線中大電流分佈的磁場及電場密度,
        同時會加長electric-length,藉以將頻率往低頻方向移動。
                 
                  
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    Method (三):

    .Inductive de-loading:
        在電流分佈較大的地方加大天線寬度;
        其主要為了讓天線中大電流分佈中減少電流的分佈並進而減小的磁場及電場密度,
        同時會縮短electric-length,藉以將頻率往高頻方向移動。
             
     .Capacitive loading:
         在電流分佈較小的地方加大天線寬度;其主要為增加天線中小電流分佈的狀況並增加磁場及電場密度,
          同時會加長electric-length,藉以將頻率往低頻方向移動。

                    

模擬軟體介紹

使用HFSS simulation 軟件來分析和設計各類天線,包括微帶天線、極子天線、喇叭天線、PIFA天線和天線陣列等。借助於HFSS仿真工具,讓天線設計可以即時分析模態。例如下方更改天線的某一參數(尺寸長度)就可以看到趨勢。

     

 

並且可以在初期設計,就可以先模擬出天線增益
                         

並可以了解場型的趨勢知道天線的方向性,對於線在非常要求天線方向的TWS也非常方便。

                                



   


參考文獻 : Triple-band wireless local area network monopole antenna 
                     H. Wang M. Zheng
                     Nokia UK Limited, Southwood, Farnborough, HampshireGU14 0GN, UK

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