摘要：針對(duì)Wi-Fi 7三頻段和超寬帶的天線需求，文章提出可調(diào)雙振子架構(gòu)的寬頻帶方案。該方案通過(guò)恰當(dāng)布局雙振子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)可調(diào)振子諧振中心頻點(diǎn)位置的分離，達(dá)到展寬天線頻帶的效果；通過(guò)振子諧振中心頻點(diǎn)的重合實(shí)現(xiàn)天線效率的提升；同時(shí)通過(guò)巧妙的PCB布局實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和縮短設(shè)計(jì)調(diào)試進(jìn)程。為滿足2.4 GHz頻段的要求，該方案增加一個(gè)附加枝節(jié)，構(gòu)建該頻段的天線諧振點(diǎn)，滿足低頻段的性能需求。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，天線能夠?qū)崿F(xiàn)三頻和超寬帶效能，具有不低于35%的效率，滿足Wi-Fi 7的無(wú)線通信技術(shù)需求，同時(shí)具有受周圍環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：天線；振子；Wi-Fi 7；回波損耗；駐波比；天線效率

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，時(shí)代步入萬(wàn)物互聯(lián)互通的新常態(tài)，電子裝置（無(wú)論是便攜設(shè)備、可穿戴設(shè)備，還是非移動(dòng)設(shè)備）都具備了無(wú)線通信功能，為人們的學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)、健康等帶來(lái)了前所未有的嶄新體驗(yàn)和生活方式。在眾多無(wú)線通信模式中，Wi-Fi業(yè)已成為廣為接納通信媒介。Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)自提出的單頻段即2.4 GHz和2Mbps低速率起步，經(jīng)過(guò)不斷地演進(jìn)升級(jí)，傳輸速率大幅提升，頻段也不斷擴(kuò)展。特別是隨著IEEE802.11be先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，與之呼應(yīng)的Wi-Fi 7相關(guān)產(chǎn)品也閃亮登場(chǎng)，為使用者帶來(lái)速率更高、時(shí)延更低、穩(wěn)定性更強(qiáng)、信號(hào)覆蓋范圍更廣等高性能的嶄新體驗(yàn)。與之適配的無(wú)線射頻信號(hào)接收與發(fā)射的器件天線（Antenna）就要具備以下3個(gè)特點(diǎn)：即三頻段（2.4 GHz、5 GHz和6 GHz）、高增益和超寬帶（5.125～7.125 GHz），這是極具挑戰(zhàn)性的。天線性能的優(yōu)劣直接影響到通信的品質(zhì)，如果帶寬不足或者效率不佳等，將直接導(dǎo)致無(wú)線裝置的通信質(zhì)量下降，一般的PIFA、mono-pole等形式天線是不能滿足超寬帶要求的。文章設(shè)計(jì)了一款能滿足Wi-Fi 7超寬帶需求的天線。該天線實(shí)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)三頻和超寬帶效能，在保證增益的同時(shí)，兼具適配性廣和成本低等優(yōu)勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)原理及實(shí)操步驟

1.1 天線設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)高頻段的主架構(gòu)如圖1所示，包括實(shí)現(xiàn)超寬頻帶效果的雙圓弧形導(dǎo)體1、2、3（信號(hào)饋入點(diǎn)F和參考地GND）。圓弧形導(dǎo)體稱作天線振子，是構(gòu)成天線的最基本單元，在此左右對(duì)稱放置2個(gè)，具有導(dǎo)向和能量轉(zhuǎn)化功能，即當(dāng)在饋點(diǎn)F加上射頻信號(hào)激勵(lì)后，振子上建立的交變電流激發(fā)交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)又激發(fā)交變的電場(chǎng)，交變的電場(chǎng)再次激發(fā)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，如此持續(xù)不斷循環(huán)則形成電磁波向空間輻射傳播，此時(shí)天線的功能是將發(fā)射機(jī)的電流能轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)能向空間輻射。反之，當(dāng)天線其處于一個(gè)電磁場(chǎng)中時(shí)，在振子中會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生交變的電流并經(jīng)由饋點(diǎn)F傳給接收機(jī)，天線功能則是接收信號(hào)。天線是一個(gè)能量形式轉(zhuǎn)換元件，其振子一般是用導(dǎo)電性能較好的金屬制造的，形狀可以依據(jù)天線所處空間位置狀態(tài)而變化，可以是直線形、折線形或者圓弧形狀，也可以是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的組合型，例如由多個(gè)振子排列而成的陣列天線。對(duì)稱雙振子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線振子上流過(guò)的交變電流的強(qiáng)弱是與振子電長(zhǎng)度相關(guān)的，當(dāng)振子的長(zhǎng)度為所處頻段中心點(diǎn)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，振子上的電流穩(wěn)定且最強(qiáng)，可以激發(fā)強(qiáng)電磁波輻射，天線的輻射效果最好。因此，在設(shè)計(jì)布局時(shí)，將振子的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)在1/4波長(zhǎng)附近且可以調(diào)整以便于優(yōu)化。原理上只要在振子上激勵(lì)出穩(wěn)定的交變電流，天線就可以將電流形式的能量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電磁場(chǎng)能輻射到空間中。依據(jù)互易性原理，天線也可以接收來(lái)自空間中電磁場(chǎng)能量。

假設(shè)1號(hào)振子的諧振中心頻率為f₁，2號(hào)振子的諧振中心頻率為f₂。差值（f₁-f₂）為諧振中心頻率位移，大小與展寬頻帶直接相關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)調(diào)整頻率位移的大小，實(shí)現(xiàn)帶寬的調(diào)節(jié)。當(dāng)天線帶寬較大時(shí)或者有超寬帶的要求時(shí)，就要加大頻率位移以確保帶寬滿足要求，但是代價(jià)是整體效率將會(huì)降低。本設(shè)計(jì)正是通過(guò)拉開f₁和f₂的距離，2個(gè)振子形成移位的諧振疊加效果，其效果是在頻域上實(shí)現(xiàn)諧振峰值被拉平頻帶展寬的效果，實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足5 GHz和6 GHz頻段的要求。如圖2所示的4和5是2個(gè)左右對(duì)稱調(diào)節(jié)部分，如果利用4的最右邊枝節(jié)調(diào)短振子1的長(zhǎng)度，相應(yīng)的諧振中心頻率f₁就提高；同理利用5的最右邊枝節(jié)調(diào)長(zhǎng)振子2的長(zhǎng)度，其諧振中心頻率f₂將降低，差值（f₁-f₂）的大小就與擴(kuò)展帶寬效應(yīng)相關(guān)直接關(guān)聯(lián)。通過(guò)拉開f₁和f₂的距離以滿足5 GHz和6 GHz頻段的寬頻帶要求。

圖2 可調(diào)雙振子對(duì)稱天線結(jié)構(gòu)

另外，當(dāng)4和5同時(shí)選擇同長(zhǎng)度的枝節(jié)時(shí)，2個(gè)振子的諧振中心頻率點(diǎn)是一致的，即使由于制作的誤差導(dǎo)致二者不相等，差值（f₁-f₂）也將會(huì)很小，此時(shí)二者的合并總諧振效果是頻域上峰值加強(qiáng)，因此會(huì)提升所對(duì)應(yīng)頻段的性能，可以作為那些工作在非寬頻帶的產(chǎn)品提升性能的方法（例如有的產(chǎn)品只工作5 GHz頻段或者6 GHz頻段）。

圖2中枝節(jié)6是一個(gè)附加諧振振子，其電長(zhǎng)度設(shè)計(jì)在2.45 GHz的1/4波長(zhǎng)左右，是為2.4 GHz頻段而配置的天線。至此就完成一個(gè)三頻段、超寬帶Wi-Fi7天線理論設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.2 設(shè)計(jì)實(shí)操步驟及流程

對(duì)于天線設(shè)計(jì)而言，仿真一般都是必要的。仿真工具也有很多種，例如HFSS、ADS、Antenna Magus等，都是工程師的有效輔助設(shè)計(jì)手段，也可以作為剛剛接觸到天線設(shè)計(jì)的工程師的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。本文設(shè)計(jì)方法是直接法，即天線設(shè)計(jì)專業(yè)人員將深厚的專業(yè)背景知識(shí)和豐富的天線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有機(jī)融合形成的一種方法，也可以稱之為專家方案。直接法的前提是產(chǎn)品的空間特征和天線的技術(shù)要求，核心是設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，直接歸納出或者提取天線的形式和設(shè)計(jì)制作方式，具體分為以下幾個(gè)步驟：（1）確認(rèn)需求即天線的指標(biāo)，包括頻率范圍、效率和場(chǎng)型分布等；（2）仔細(xì)確定天線所處產(chǎn)品的具體空間位置，特別是周圍大尺寸的金屬導(dǎo)體位置以及系統(tǒng)參考接地的形態(tài)；（3）計(jì)算出各個(gè)關(guān)鍵尺寸例如1/4波長(zhǎng)、振子長(zhǎng)度和預(yù)留空間間距等；（4）進(jìn)行PCB layout布局與走線圖檔出圖（PCB形式天線）或者天線3D圖檔出圖（金屬?zèng)_壓形式天線）；（5）送出圖檔給樣品加工廠商制作樣品。PCB天線流程架構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計(jì)用PCB方式設(shè)計(jì)的Layout實(shí)際走線如圖4所示，PCB基材選用材質(zhì)高頻特性良好的M6基材，厚度0.6 mm的單層板制作。

2 設(shè)計(jì)樣品性能調(diào)試測(cè)試與結(jié)果分析

天線樣品的性能測(cè)試過(guò)程也是重要的一環(huán)，按照射頻測(cè)試的步驟嚴(yán)格進(jìn)行，避免引入各種干擾和測(cè)試誤差引起的干擾。測(cè)試環(huán)境的配置如下：首先，所有

測(cè)試和調(diào)試必須在射頻開發(fā)屏蔽室進(jìn)行，避免周圍環(huán)境電磁輻射干擾；其次，效率和天線輻射場(chǎng)型測(cè)試要在標(biāo)準(zhǔn)的微波天線暗室進(jìn)行；最后，測(cè)試設(shè)備要選擇穩(wěn)定性高的測(cè)試儀器，如Keysight或者Ramp;S等廠家提供的測(cè)試儀器。具體調(diào)試測(cè)試操作過(guò)程如下：

2.1 振子長(zhǎng)度調(diào)節(jié)方式

為了說(shuō)明振子長(zhǎng)度調(diào)節(jié)過(guò)程，本文將圖2中振子1的調(diào)節(jié)部分進(jìn)行局部放大，如圖5所示。在PCB Layout時(shí)，預(yù)留4個(gè)方形PAD名稱記作O、L、M、S，邊長(zhǎng)與振子線寬基本一致，PAD間距0.2 mm。顯然，當(dāng)O分別和L、M和S連通時(shí)，就相應(yīng)地改變了振子長(zhǎng)度，變化方向依次是長(zhǎng)、中和短，對(duì)應(yīng)的振子1的諧振頻率分別是低、中和高。同理，振子2也有同樣的調(diào)節(jié)特性。PAD的連通方式可以采用點(diǎn)焊接方式，也可以在相應(yīng)的位置用0 Ω的電阻連接。如圖6所示的帶寬與振子長(zhǎng)度組合方式給出不同帶寬時(shí)所對(duì)應(yīng)的振子1和2的調(diào)節(jié)枝節(jié)的連接方式組合，可以在調(diào)試實(shí)測(cè)中檢驗(yàn)結(jié)果和調(diào)整連接組合。

2.2 回波損耗和駐波比測(cè)試

在振子1的O-L連接和振子2的O-S連接條件下，即超寬帶情況下的測(cè)試結(jié)果如圖7—8所示?；夭〒p耗Return Loss在要求頻段內(nèi)小于-10 dB，性能滿足要求；駐波比SWR小于2，比較理想，說(shuō)明匹配電路滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 天線效率和場(chǎng)型測(cè)試

測(cè)試天線效率帶內(nèi)在35%以上，場(chǎng)型比較均勻?qū)ΨQ，是一個(gè)全向天線。如果在天線附近存在尺寸較大的金屬部件或者系統(tǒng)參考地區(qū)域，則場(chǎng)型會(huì)受其影響發(fā)生改變，但是輻射效率變化不大。如果產(chǎn)品定義高頻段部分只工作在5 GHz或者6 GHz頻段，則相應(yīng)地將2個(gè)振子的調(diào)節(jié)枝節(jié)同時(shí)選用較長(zhǎng)的分支或最短的分支，分別實(shí)現(xiàn)2個(gè)振子同時(shí)諧振在5 GHz或者6 GHz頻段，這樣就可以加強(qiáng)5 GHz或者6 GHz頻段的性能，測(cè)試結(jié)果顯示分別可以提升到50%和45%以上的效率。

2.4 整體性能分析

整體性能測(cè)試結(jié)論是：回波損耗比較好控制在-10 dB，駐波比小于2，實(shí)測(cè)效率都在35%以上，場(chǎng)圖分布均勻是一個(gè)全向天線，符合設(shè)計(jì)要求。

本架構(gòu)的設(shè)計(jì)是在具有豐富專業(yè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，同時(shí)考慮到諸多影響因子，例如和參考地的距離、輻射方向以及產(chǎn)品的整體布局等，實(shí)測(cè)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于新手而言，要設(shè)計(jì)如此大寬帶的天線，可能需要多次的反復(fù)修改和調(diào)試。如果最終結(jié)果還不能滿足需求，那么就要做大的設(shè)計(jì)調(diào)整，甚至重新選擇設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試數(shù)據(jù)表明本文設(shè)計(jì)符合Wi-Fi 7三頻段需求且滿足高頻段超寬帶特點(diǎn)，能夠匹配Wi-Fi 7三頻段廣范圍覆蓋性能的需求。本文首先考慮到天線材質(zhì)的損耗特性，對(duì)于PCB制作方式，就要選擇聚四氟乙烯F4BM或者M(jìn)6等高頻特性較好的介質(zhì)基板。通用FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板制造的PCB天線高頻損耗和頻率漂移太大，會(huì)造成效率降低和頻率偏移，無(wú)法

滿足Wi-Fi 7的高頻段性能需求。其次，為滿足超寬帶需求，天線結(jié)構(gòu)選用雙振子，通過(guò)諧振中點(diǎn)拉開實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展。最后，設(shè)計(jì)都會(huì)存在誤差的，特別是分布電容以及地耦合電容等的影響，會(huì)使設(shè)計(jì)的中心頻率點(diǎn)向下漂移，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將高頻段振子諧振中心頻點(diǎn)提高50～100 MHz作為預(yù)設(shè)補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)是一款利用經(jīng)驗(yàn)和理論直接結(jié)合的設(shè)計(jì)，性能滿足三頻段和超寬帶寬的需求，同時(shí)具備選擇頻段加強(qiáng)性能的特點(diǎn)，簡(jiǎn)潔實(shí)用且具有裝配位置適配性高和低成本優(yōu)勢(shì)。

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（編輯 王雪芬）

Wi-Fi 7 ultra wide-band antenna design based on adjustable dual oscillator architecture

ZHANG Yu

（Inventec Appliances Shanghai Corporation， Shanghai 201114， China）

Abstract：Aiming at the requirements of ultra wide-band and triple band of Wi-Fi7 antenna， a broadband antenna scheme with dual adjustable oscillator architecture is proposed. Through the appropriate layout， the two resonant center frequency points are pulled apart to achieve the effect of broadening the antenna bandwidth. By coincident the two resonant center frequencies， the antenna efficiency of the corresponding part of the frequency band can be strengthened. At the same time， the ingenious PCB layout makes it easy to adjust the oscillator length， optimizing and shortening the design debugging process. In order to meet the requirement of the 2.4 GHz frequency band， an additional branch is added to generate the resonance to meet the performance requirement in the low frequency band. The measured results show that the antenna can achieve triple-band and ultra wide-band performance， with an efficiency of no less than 35%， which meets the requirements of Wi-Fi 7 wireless communication system， and is less affected by the surrounding environment and lower cost.

Key words：antenna; antenna oscillator; Wi-Fi 7; return loss; SWR; antenna efficiency