OTT盒子类WIFI天线的场形图与“地”的关联性

RFsister创客射频空间2020-06-29 15:46:16

新朋友请点击上方RFsister关注我们


目前,小米、乐视、海美迪、天猫、创维、同洲等等公司都推出了电视盒子产品。虽然目前此类产品受到广电总局在应用软件方面的限令,但这个产品依然深受市场的喜爱,预计会有越来越多的产品涌现。


此类电视盒子常常用到2个以上的WIFI天线。那么在产品设计之初,怎样给天线设计预留空间,以保证其工作信号的全向性,甚至有较高的吞吐量?天线设计者在解决这些问题时又能做些什么?本文试着从“地”与天线场型图的关联性来浅析一二。

希望本文中的实验能够给盒子设计的RD工程师以及天线RF工程师的工作带来启发。

个人浅见,欢迎指正!


一、模型介绍


1、实物模型尺寸及天线位置说明


模型1:天线位置较近,PCB 长度约90mm


模型2:天线位置拉远,PCB 长度约85mm


如上两图所示,此次实验基于以上两种实物模型。两模型PCB的尺寸相同,均为90mm*85mm。天线区域的“地”镂空。两模型中的天线pattern相同;天线工作频率:2.4~2.483GHz。


2、实物模型的天线参数测试


(1)在实物模型1上的天线S参数


ANT1-S11


ANT2-S11


ANT1_ANT2 isolation


(2)在实物模型2上的天线S参数

ANT1-S11


ANT2-S11


ANT1_ANT2 isolation


通过改变ANT1的位置(两天线间距加大),两天线的隔离度参数有较大提升。而MIMO天线的隔离度是影响整机吞吐量的一个重要因素。


二、仿真软件中的模型


1、模型1中ANT1仿真的VSWR及方向图




左图模型1,其中绿色部分为PCB铺铜部分,透明区域为清空铺铜后的PCB,蓝色天线为ANT1,黄色天线为ANT2. IC部分为红色,突出PCB高度设定为3.5mm.



VSWR


ANT1-3D-pattern


模型1中,ANT1的场型图比较平均。在四周均有较强的功率密度(或者说场强)。


2模型1中ANT2仿真VSWR及方向图


ANT2的VSWR


ANT2的场型图


ANT2-2.45GHz -Gain


模型1中ANT2的场型图可以看出,在X轴正方向(PCB的后端,通常是USB等的接口位置处)功率密度明显小于其它面。


3、模型2中ANT1仿真的VSWR及方向图




上图模型2中,绿色部分为PCB铺铜部分,透明区域为清空的PCB,蓝色天线为ANT1,黄色天线为ANT2. IC部分为红色,突出PCB高度设定为3.5mm.


VSWR


ANT1-3D-pattern


在模型2中,ANT1的位置与模型一中的位置相比发生了变化,ANT1的场型图也发生了明显改变。现在ANT1在X轴﹣方向上的场强较弱。


4模型2中ANT2仿真VSWR及方向图


ANT2的场型图


对比发现:改变MIMO天线中任一天线的位置,两个天线的S11参数及Gain会发生较小变化,但被改变的那个天线的3D-pattern会发生明显变化。场型图是在一定条件下影响整机吞吐量的又一因素。



ANT2的VSWR


ANT2-2.45GHz-Gain


三、模型介绍


1、模型2中将ANT1\ANT2改为monopole天线




模型2中,ANT1位置不变,改为monopole后,其场型图与原天线的场型图区别不大。



模型2中,ANT2位置不变,改为monopole后,其场型图与原天线的场型图区别也不大。


2模型2ANT2改为dipole天线




模型2中,ANT2位置不变,改为dipole后,其场型图与原天线、monopole的场型图区别不大。



模型2中,ANT2位置不变,改为dipole,并给PCB的下方加上金属散热片(30*15mm,小于PCB),其最终场型图与上图及原天线、monopole的场型图区别依然不大。


3、天线形式改变对场型图影响的实验结论

现象:从以上两组实验可以看出,将天线位置固定后,改变天线形式(PIFA、monopole、dipole),天线的场型图均不会有较为明显的变化。

结论:天线的形式或形状不是决定天线场型图的主要因素。(限制条件——天线的辐射体部分与PCB直接相连。)


四、“地”的改变实验

通过前面的实验,我们发现,当天线固定在PCB上某一个位置,再改变天线的形式或形状,天线的场型图不会发生变化。当天线从PCB上一个位置移动到另一个位置时,天线的场型图会发生变化。那么,接下来我们就来改变PCB上的“地”,来分析天线的场型图如何变化?在接下来的实验中,将只对ANT1的方向图做对比。


1、改变ANT1左边“地



上图中右下角蓝色为ANT1,我们在ANT1的左边PCB上补上一块“地”。此时ANT1在此PCB状态下产生的场型图如右图所示。ANT1在X-方向的场强依然弱于X+方向,而且在YOZ这个面上,天线场型明显变弱。


2、改变ANT1右边的“地”




如上第一个图所示,在ANT1的右边PCB上也铺上一块铜,铺铜区域距离天线最近为3mm.


如上第二个图所示,新环境下ANT1的场型图。对比前一页的场型图,两者完全不一样了。增加ANT1右边的“地”,场型图显示各个方向上的场强都比较平均了。


3、改变天线馈脚与“地”的距离





原来ANT1馈脚距离X方向的“地”的距离为2.5mm。如第一图所示,现在将X方向的“地”再净空2.5mm,使得天线与地之间的距离为5mm.


在模型2上做以上修改,ANT1的场型图如上图所示。对比前一页的场型图,似乎没有太大的变化,只是在YOZ面的场强略有变大。


4、再次改变天线左边的“地


通过1,2,3的实验,我们发现改变天线左边的“地”,场型图变化规律不能总结。那么,我们在4.3实验的基础上再次改变天线左边的“地”。







经过如上图所示对PCB进行改变之后,天线的场型图更加趋紧于平滑。不再像以前的方向图一样在四个方向之间的场强有明显的分界。


5、关于改变天线周围“地”的实验总结


通过以上四个实验,我们大致可以得出以下结论:

天线的场型图与“地”有直接的关系,尤其是天线附近的“地”,对其场型图影响尤为明显。

以上四个实验之外,我们还可以继续做天线外侧的“地”的变化对场型图改变的实验。如有兴趣,可尝试一下。在天线设计者的经验中,天线被“地”包围的越多,其S11参数越怪异,而天线效率也会降低。

“地”的改变实验,让我们看到了场型图的变化。那么为什么有这样的变化?改变天线附近的“地”怎样影响到天线场型图的?接下来我们来看一下,天线与“地”的表面电流的电场矢量方向。


五、VECTOR-E的分析


1、“地表面电场矢量

NT1周围的“地”做改变后,PCB表面的电场场强矢量分布如下图所示:



从上图可以看出,天线末端附近的“地”上电场强度最强。注意此处最强电场适量与PCB的夹角。


2、“地的改变引起的电场矢量变化



如上图所示,将天线1右侧“地”剪掉一个三角形的区域。




天线的方向图虽然没有发生大的变化。




但PCB上的最强电场强度矢量的方向有所改变。


3、天线上的电场矢量



上图:原天线1的电场强度矢量示意图。从图中可以看出天线末端两处贴近PCB位置的场强最强,可以认为此处为天线辐射电磁波最强点。改变此处对于天线效能的改变最明显。



上图:天线1的末端改变后电场强度矢量示意图。将天线末端从竖直向下变为水平向左。天线的最大电场强度矢量只出现在一个点,且该点的电场强度大于左图中的最强电场强度矢量。以上两图可以说明天线的末端不一定就是辐射最强点。


5、增加天线场强最强区域产生的变化



通过3的对比可以看出天线末端竖直向下时,天线有两个最强辐射点。那么修改天线模型如上图,整体效果会怎样?



Vector-E of PCB



VSWR


3D-Parrten



Vector-E of ANT1


6、总结

通过以上实验我们可以看出,此类盒子产品在设计之初,预留天线位置,即基本决定了天线在此产品上的辐射场型图。

在整合产品提升产品性能过程中,需要有经验的工程师仔细对PCB或天线做出修改分析,一点点改变可能会引起场型图意想不到的变化。






RFsister目前已开通射频顾问专用微信号:rfsister01

聚焦射频技术,提供技术支持、项目评估。欢迎各位朋友添加!