FPC工藝的小型化多頻段天線設(shè)計(jì)

合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司 王再躍 汪建安 安 凱 王 勇

從1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到當(dāng)下筆記本電腦可隨身攜帶，筆記本電腦經(jīng)歷了一代一代的革新。現(xiàn)在朝著更加輕薄化小型化的方向發(fā)展，由于空間的縮小，使筆記本電腦的天線設(shè)計(jì)愈加困難。FPC（flexible printed circuit）又稱柔性印刷電路工藝，可以在空間上進(jìn)行移動(dòng)彎曲和扭轉(zhuǎn)并遵從不同形狀和特殊尺寸進(jìn)行封裝，且體積小，重量輕，可以滿足小型化，輕量化，薄型化天線設(shè)計(jì)要求，廣泛應(yīng)用在小型化低凈空的天線環(huán)境中。針對(duì)當(dāng)前興起的高速率大容量無線帶寬需求，為了適應(yīng)Wi-Fi需求的增長，Wi-Fi聯(lián)盟于2020年初發(fā)布Wi-Fi 6E標(biāo)準(zhǔn)，通信頻段為5.925-7.125GHz，增加Wi-Fi頻譜的供應(yīng)量，將有效的把Wi-Fi可用頻譜的數(shù)量翻倍，Wi-Fi 6E相對(duì)于Wi-Fi 6的提升則在數(shù)據(jù)吞吐量和延遲兩個(gè)維度。隨著無線網(wǎng)絡(luò)用戶的接入數(shù)量日益增加和用戶場(chǎng)景多樣化，無線接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不僅是高吞吐量和大帶寬，并且也要求低時(shí)延。因此，Wi-Fi 6E的應(yīng)用可以解決當(dāng)下無線網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)，并推動(dòng)新一代Wi-Fi應(yīng)用的快速落成。

本文針對(duì)最新發(fā)布Wi-Fi 6E頻段，基于FPC工藝，設(shè)計(jì)一款三頻段Wi-Fi小型化天線，通信頻段包括：2.402-2.483/5.15-5.85/5.925-7.125GHz，使用CST仿真模擬軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，結(jié)合軟件仿真的結(jié)果，對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物打樣，使用矢網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果和軟件仿真的結(jié)果基本一致，符合當(dāng)下筆記本電腦的基本設(shè)計(jì)需求，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 天線的仿真與設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 2.45GHz電流分布

圖3 5.25GHz電流分布

天線外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1為天線單元的外觀結(jié)構(gòu)圖，此輻射單元采用的結(jié)構(gòu)為PIFA形式。天線的基板尺寸大小為16.6×8.1×7.3mm，天線基板的材料為聚碳酸酯，相對(duì)介電常數(shù)為2.9，損耗角正切值為0.005，使用CST仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，天線各個(gè)輻射枝節(jié)的物理尺寸為：L1=10.5mm，L2=14.8mm，L3=3.5mm，H1=6mm，H2=1.7mm，H3=3mm，W1=4.7mm。

圖4 6.53GHz電流分布

圖5 L1長度變化與S11對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 L3長度變化與S11對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)諧振頻率和天線長度的關(guān)系：

式中，f0為天線的諧振頻率；c為真空中光的傳播速度；L為輻射單元的長度；W為輻射單元的寬度。由微帶線傳輸理論可知，PIFA天線的實(shí)際長度約為1/4諧振頻率長度，因此工作于Wi-Fi頻段的天線枝節(jié)的電流流徑長度分別為30.6mm、13.6mm、11.5mm。

1.2 天線仿真結(jié)果與分析

使用CST仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，從2.45GHz/5.25GHz/6.53GHz的表面電流分布可以看出，在2.45/5.25GHz，天線枝節(jié)L1表面電流分布強(qiáng)，在6.53GHz，天線枝節(jié)L3表面電流分布強(qiáng)，改變天線輻射枝節(jié)長度參數(shù)L1和L3的大小，觀察長度變化對(duì)天線S11的影響。如圖2、圖3、圖4所示。

首先比較天線枝節(jié)L1的加長和剪短對(duì)天線S11的影響，分別取L1=9.5/10.5/11.5mm，天線S11與頻率的關(guān)系如圖5所示，從圖5可以看出，隨著天線枝節(jié)L1長度的變化，Wi-Fi頻段的諧振頻率有不同程度的偏移，2.45/5.25GHz頻點(diǎn)逐漸向左偏移并變深，6.53GHz頻點(diǎn)基本不變。

在初始天線尺寸不變的情況下，取L3=2.5/3.5/4.5mm，觀察天線S11的變化情況，其中S11與頻段的關(guān)系曲線如圖6所示，從圖6可知，隨著L3長度的增大，Wi-Fi諧振頻率有不同程度的變化，其中2.45GHz沒有變化，5.25GHz頻點(diǎn)會(huì)逐漸變淺，6.53GHz頻點(diǎn)會(huì)向左偏移并變淺。

綜上所述，多枝節(jié)形式的PIFA天線的不同枝節(jié)對(duì)應(yīng)不同Wi-Fi頻段，L1主要控制著2.45/5.25GHz頻段，L3主要控制著6.53GHz頻段，天線輻射枝節(jié)的長度逐漸增加，諧振頻率向左偏移。圖7所示為天線的諧振頻率在2.45GHz/5.25/6.53GHz的H面增益方向圖，由圖7可知，在水平方向XOY上呈全向型輻射。

圖7 天線H面增益方向圖

圖8 天線打樣實(shí)物圖

圖9 天線S11實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果

2 天線實(shí)測(cè)與分析

將CST仿真軟件的結(jié)果導(dǎo)出，把Wi-Fi天線仿真模型打樣成FPC實(shí)物，圖8為天線打樣實(shí)物的正面圖。使用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對(duì)天線進(jìn)行量測(cè)，仿真與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比如圖9所示，由圖可知，仿真和實(shí)際測(cè)試S參數(shù)具有一致性，實(shí)際測(cè)試的結(jié)果表明，天線S11≤-6的頻段包括2.4-2.5GHz/5.1-5.8GHz/5.925-7.125GHz，可以覆蓋Wi-Fi通信頻段，能夠滿足無線通信系統(tǒng)對(duì)天線的需求。

結(jié)語：文章設(shè)計(jì)了一款多枝節(jié)結(jié)構(gòu)并兼容Wi-Fi 6E頻段的終端天線，基于FPC加工工藝，天線枝節(jié)彎曲并小型化，使天線的尺寸僅占用16.6×8.1×7.3mm。通過查看天線表面電流分布，進(jìn)而確定對(duì)應(yīng)頻段的輻射枝節(jié)，通過修改天線輻射枝節(jié)的長短查看S11的變化情況。將仿真天線進(jìn)行加工，查看實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果較為吻合，能夠覆蓋Wi-Fi通信頻段，對(duì)于筆記本電腦的天線設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。