基于可調雙振子架構的Wi-Fi 7超寬帶天線設計

摘要：針對Wi-Fi 7三頻段和超寬帶的天線需求，文章提出可調雙振子架構的寬頻帶方案。該方案通過恰當布局雙振子結構實現(xiàn)2個可調振子諧振中心頻點位置的分離，達到展寬天線頻帶的效果；通過振子諧振中心頻點的重合實現(xiàn)天線效率的提升；同時通過巧妙的PCB布局實現(xiàn)優(yōu)化和縮短設計調試進程。為滿足2.4 GHz頻段的要求，該方案增加一個附加枝節(jié)，構建該頻段的天線諧振點，滿足低頻段的性能需求。實測結果顯示，天線能夠實現(xiàn)三頻和超寬帶效能，具有不低于35%的效率，滿足Wi-Fi 7的無線通信技術需求，同時具有受周圍環(huán)境影響小、成本低等優(yōu)勢。

關鍵詞：天線；振子；Wi-Fi 7；回波損耗；駐波比；天線效率

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

0 引言

隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，時代步入萬物互聯(lián)互通的新常態(tài)，電子裝置（無論是便攜設備、可穿戴設備，還是非移動設備）都具備了無線通信功能，為人們的學習、工作、娛樂、健康等帶來了前所未有的嶄新體驗和生活方式。在眾多無線通信模式中，Wi-Fi業(yè)已成為廣為接納通信媒介。Wi-Fi標準自提出的單頻段即2.4 GHz和2Mbps低速率起步，經(jīng)過不斷地演進升級，傳輸速率大幅提升，頻段也不斷擴展。特別是隨著IEEE802.11be先進技術標準的發(fā)布，與之呼應的Wi-Fi 7相關產品也閃亮登場，為使用者帶來速率更高、時延更低、穩(wěn)定性更強、信號覆蓋范圍更廣等高性能的嶄新體驗。與之適配的無線射頻信號接收與發(fā)射的器件天線（Antenna）就要具備以下3個特點：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，如果帶寬不足或者效率不佳等，將直接導致無線裝置的通信質量下降，一般的PIFA、mono-pole等形式天線是不能滿足超寬帶要求的。文章設計了一款能滿足Wi-Fi 7超寬帶需求的天線。該天線實測能夠實現(xiàn)三頻和超寬帶效能，在保證增益的同時，兼具適配性廣和成本低等優(yōu)勢。

1 設計技術原理及實操步驟

1.1 天線設計原理

本設計高頻段的主架構如圖1所示，包括實現(xiàn)超寬頻帶效果的雙圓弧形導體1、2、3（信號饋入點F和參考地GND）。圓弧形導體稱作天線振子，是構成天線的最基本單元，在此左右對稱放置2個，具有導向和能量轉化功能，即當在饋點F加上射頻信號激勵后，振子上建立的交變電流激發(fā)交變的磁場，交變的磁場又激發(fā)交變的電場，交變的電場再次激發(fā)產生交變的磁場，如此持續(xù)不斷循環(huán)則形成電磁波向空間輻射傳播，此時天線的功能是將發(fā)射機的電流能轉換為電磁場能向空間輻射。反之，當天線其處于一個電磁場中時，在振子中會感應產生交變的電流并經(jīng)由饋點F傳給接收機，天線功能則是接收信號。天線是一個能量形式轉換元件，其振子一般是用導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，也可以是結構較復雜的組合型，例如由多個振子排列而成的陣列天線。對稱雙振子天線的結構如圖1所示。

天線振子上流過的交變電流的強弱是與振子電長度相關的，當振子的長度為所處頻段中心點波長的1/4時，振子上的電流穩(wěn)定且最強，可以激發(fā)強電磁波輻射，天線的輻射效果最好。因此，在設計布局時，將振子的長度設計在1/4波長附近且可以調整以便于優(yōu)化。原理上只要在振子上激勵出穩(wěn)定的交變電流，天線就可以將電流形式的能量轉換為穩(wěn)定電磁場能輻射到空間中。依據(jù)互易性原理，天線也可以接收來自空間中電磁場能量。

假設1號振子的諧振中心頻率為f₁，2號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。實際應用中，可以通過調整頻率位移的大小，實現(xiàn)帶寬的調節(jié)。當天線帶寬較大時或者有超寬帶的要求時，就要加大頻率位移以確保帶寬滿足要求，但是代價是整體效率將會降低。本設計正是通過拉開f₁和f₂的距離，2個振子形成移位的諧振疊加效果，其效果是在頻域上實現(xiàn)諧振峰值被拉平頻帶展寬的效果，實現(xiàn)同時滿足5 GHz和6 GHz頻段的要求。如圖2所示的4和5是2個左右對稱調節(jié)部分，如果利用4的最右邊枝節(jié)調短振子1的長度，相應的諧振中心頻率f₁就提高；同理利用5的最右邊枝節(jié)調長振子2的長度，其諧振中心頻率f₂將降低，差值（f₁-f₂）的大小就與擴展帶寬效應相關直接關聯(lián)。通過拉開f₁和f₂的距離以滿足5 GHz和6 GHz頻段的寬頻帶要求。

圖2 可調雙振子對稱天線結構

另外，當4和5同時選擇同長度的枝節(jié)時，2個振子的諧振中心頻率點是一致的，即使由于制作的誤差導致二者不相等，差值（f₁-f₂）也將會很小，此時二者的合并總諧振效果是頻域上峰值加強，因此會提升所對應頻段的性能，可以作為那些工作在非寬頻帶的產品提升性能的方法（例如有的產品只工作5 GHz頻段或者6 GHz頻段）。

圖2中枝節(jié)6是一個附加諧振振子，其電長度設計在2.45 GHz的1/4波長左右，是為2.4 GHz頻段而配置的天線。至此就完成一個三頻段、超寬帶Wi-Fi7天線理論設計過程。

1.2 設計實操步驟及流程

對于天線設計而言，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計手段，也可以作為剛剛接觸到天線設計的工程師的學習指導。本文設計方法是直接法，即天線設計專業(yè)人員將深厚的專業(yè)背景知識和豐富的天線設計經(jīng)驗有機融合形成的一種方法，也可以稱之為專家方案。直接法的前提是產品的空間特征和天線的技術要求，核心是設計者的經(jīng)驗和專業(yè)知識，直接歸納出或者提取天線的形式和設計制作方式，具體分為以下幾個步驟：（1）確認需求即天線的指標，包括頻率范圍、效率和場型分布等；（2）仔細確定天線所處產品的具體空間位置，特別是周圍大尺寸的金屬導體位置以及系統(tǒng)參考接地的形態(tài)；（3）計算出各個關鍵尺寸例如1/4波長、振子長度和預留空間間距等；（4）進行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（金屬沖壓形式天線）；（5）送出圖檔給樣品加工廠商制作樣品。PCB天線流程架構如圖3所示。本設計用PCB方式設計的Layout實際走線如圖4所示，PCB基材選用材質高頻特性良好的M6基材，厚度0.6 mm的單層板制作。

2 設計樣品性能調試測試與結果分析

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

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

2.1 振子長度調節(jié)方式

為了說明振子長度調節(jié)過程，本文將圖2中振子1的調節(jié)部分進行局部放大，如圖5所示。在PCB Layout時，預留4個方形PAD名稱記作O、L、M、S，邊長與振子線寬基本一致，PAD間距0.2 mm。顯然，當O分別和L、M和S連通時，就相應地改變了振子長度，變化方向依次是長、中和短，對應的振子1的諧振頻率分別是低、中和高。同理，振子2也有同樣的調節(jié)特性。PAD的連通方式可以采用點焊接方式，也可以在相應的位置用0 Ω的電阻連接。如圖6所示的帶寬與振子長度組合方式給出不同帶寬時所對應的振子1和2的調節(jié)枝節(jié)的連接方式組合，可以在調試實測中檢驗結果和調整連接組合。

2.2 回波損耗和駐波比測試

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試結果如圖7—8所示?；夭〒p耗Return Loss在要求頻段內小于-10 dB，性能滿足要求；駐波比SWR小于2，比較理想，說明匹配電路滿足設計要求。

2.3 天線效率和場型測試

測試天線效率帶內在35%以上，場型比較均勻對稱，是一個全向天線。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，則場型會受其影響發(fā)生改變，但是輻射效率變化不大。如果產品定義高頻段部分只工作在5 GHz或者6 GHz頻段，則相應地將2個振子的調節(jié)枝節(jié)同時選用較長的分支或最短的分支，分別實現(xiàn)2個振子同時諧振在5 GHz或者6 GHz頻段，這樣就可以加強5 GHz或者6 GHz頻段的性能，測試結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

整體性能測試結論是：回波損耗比較好控制在-10 dB，駐波比小于2，實測效率都在35%以上，場圖分布均勻是一個全向天線，符合設計要求。

本架構的設計是在具有豐富專業(yè)設計基礎上進行的，同時考慮到諸多影響因子，例如和參考地的距離、輻射方向以及產品的整體布局等，實測效果達到設計要求。對于新手而言，要設計如此大寬帶的天線，可能需要多次的反復修改和調試。如果最終結果還不能滿足需求，那么就要做大的設計調整，甚至重新選擇設計方案。

3 結語

測試數(shù)據(jù)表明本文設計符合Wi-Fi 7三頻段需求且滿足高頻段超寬帶特點，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的損耗特性，對于PCB制作方式，就要選擇聚四氟乙烯F4BM或者M6等高頻特性較好的介質基板。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，會造成效率降低和頻率偏移，無法

滿足Wi-Fi 7的高頻段性能需求。其次，為滿足超寬帶需求，天線結構選用雙振子，通過諧振中點拉開實現(xiàn)帶寬的擴展。最后，設計都會存在誤差的，特別是分布電容以及地耦合電容等的影響，會使設計的中心頻率點向下漂移，因此在設計時將高頻段振子諧振中心頻點提高50～100 MHz作為預設補償。測試結果表明本文設計是一款利用經(jīng)驗和理論直接結合的設計，性能滿足三頻段和超寬帶寬的需求，同時具備選擇頻段加強性能的特點，簡潔實用且具有裝配位置適配性高和低成本優(yōu)勢。

參考文獻

［1］成剛，蔣一名，楊志杰.Wi-Fi 7開發(fā)參考：技術原理、標準和應用［M］.北京：清華大學出版社，2023.

［2］清華大學《微帶電路》編寫組.微帶電路［M］.北京：清華大學出版社，2023.

［3］劉學觀，郭輝萍.微波技術與天線［M］.5版.西安：西安電子科技大學出版社，2023.

［4］BERTONI HENRY L.現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)電波傳播［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［5］王建平，陳改霞，耿瑞煥，等.無線網(wǎng)絡技術［M］.2版.北京：清華大學出版社，2020.

［6］IEEE.IEEE standard for information technology-local and metropolitan area networks-specific requirements-part 11：Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） specification-amendment 8：Medium Access Control （MAC） quality of service enhancements：802.11e-2005［EB/OL］.（2005-11-11）［2023-08-16］.https//ieeexplore.ieee.org/document/1541572.

［7］BHARTIA P，BAHL I J.Millimeter-wave engineering and applications［M］.New York：Wiley，1984.

（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