FPC工艺的小型化多频段天线设计

合肥联宝信息技术有限公司 王再跃 汪建安 安 凯 王 勇

从1946年第一台计算机诞生到当下笔记本电脑可随身携带，笔记本电脑经历了一代一代的革新。现在朝着更加轻薄化小型化的方向发展，由于空间的缩小，使笔记本电脑的天线设计愈加困难。FPC（flexible printed circuit）又称柔性印刷电路工艺，可以在空间上进行移动弯曲和扭转并遵从不同形状和特殊尺寸进行封装，且体积小，重量轻，可以满足小型化，轻量化，薄型化天线设计要求，广泛应用在小型化低净空的天线环境中。针对当前兴起的高速率大容量无线带宽需求，为了适应Wi-Fi需求的增长，Wi-Fi联盟于2020年初发布Wi-Fi 6E标准，通信频段为5.925-7.125GHz，增加Wi-Fi频谱的供应量，将有效的把Wi-Fi可用频谱的数量翻倍，Wi-Fi 6E相对于Wi-Fi 6的提升则在数据吞吐量和延迟两个维度。随着无线网络用户的接入数量日益增加和用户场景多样化，无线接入网络数据不仅是高吞吐量和大带宽，并且也要求低时延。因此，Wi-Fi 6E的应用可以解决当下无线网络的难点，并推动新一代Wi-Fi应用的快速落成。

本文针对最新发布Wi-Fi 6E频段，基于FPC工艺，设计一款三频段Wi-Fi小型化天线，通信频段包括：2.402-2.483/5.15-5.85/5.925-7.125GHz，使用CST仿真模拟软件进行仿真和优化，结合软件仿真的结果，对天线进行实物打样，使用矢网进行测试，实测结果和软件仿真的结果基本一致，符合当下笔记本电脑的基本设计需求，具有很好的应用价值。

1 天线的仿真与设计

1.1 天线结构

图1 天线结构图

图2 2.45GHz电流分布

图3 5.25GHz电流分布

天线外观结构如图1所示，图1为天线单元的外观结构图，此辐射单元采用的结构为PIFA形式。天线的基板尺寸大小为16.6×8.1×7.3mm，天线基板的材料为聚碳酸酯，相对介电常数为2.9，损耗角正切值为0.005，使用CST仿真软件进行仿真设计，天线各个辐射枝节的物理尺寸为：L1=10.5mm，L2=14.8mm，L3=3.5mm，H1=6mm，H2=1.7mm，H3=3mm，W1=4.7mm。

图4 6.53GHz电流分布

图5 L1长度变化与S11对应关系

图6 L3长度变化与S11对应关系

根据谐振频率和天线长度的关系：

式中，f0为天线的谐振频率；c为真空中光的传播速度；L为辐射单元的长度；W为辐射单元的宽度。由微带线传输理论可知，PIFA天线的实际长度约为1/4谐振频率长度，因此工作于Wi-Fi频段的天线枝节的电流流径长度分别为30.6mm、13.6mm、11.5mm。

1.2 天线仿真结果与分析

使用CST仿真软件对天线进行仿真，从2.45GHz/5.25GHz/6.53GHz的表面电流分布可以看出，在2.45/5.25GHz，天线枝节L1表面电流分布强，在6.53GHz，天线枝节L3表面电流分布强，改变天线辐射枝节长度参数L1和L3的大小，观察长度变化对天线S11的影响。如图2、图3、图4所示。

首先比较天线枝节L1的加长和剪短对天线S11的影响，分别取L1=9.5/10.5/11.5mm，天线S11与频率的关系如图5所示，从图5可以看出，随着天线枝节L1长度的变化，Wi-Fi频段的谐振频率有不同程度的偏移，2.45/5.25GHz频点逐渐向左偏移并变深，6.53GHz频点基本不变。

在初始天线尺寸不变的情况下，取L3=2.5/3.5/4.5mm，观察天线S11的变化情况，其中S11与频段的关系曲线如图6所示，从图6可知，随着L3长度的增大，Wi-Fi谐振频率有不同程度的变化，其中2.45GHz没有变化，5.25GHz频点会逐渐变浅，6.53GHz频点会向左偏移并变浅。

综上所述，多枝节形式的PIFA天线的不同枝节对应不同Wi-Fi频段，L1主要控制着2.45/5.25GHz频段，L3主要控制着6.53GHz频段，天线辐射枝节的长度逐渐增加，谐振频率向左偏移。图7所示为天线的谐振频率在2.45GHz/5.25/6.53GHz的H面增益方向图，由图7可知，在水平方向XOY上呈全向型辐射。

图7 天线H面增益方向图

图8 天线打样实物图

图9 天线S11实测与仿真结果

2 天线实测与分析

将CST仿真软件的结果导出，把Wi-Fi天线仿真模型打样成FPC实物，图8为天线打样实物的正面图。使用Agilent矢量网络分析仪E5071C对天线进行量测，仿真与测试结果的对比如图9所示，由图可知，仿真和实际测试S参数具有一致性，实际测试的结果表明，天线S11≤-6的频段包括2.4-2.5GHz/5.1-5.8GHz/5.925-7.125GHz，可以覆盖Wi-Fi通信频段，能够满足无线通信系统对天线的需求。

结语：文章设计了一款多枝节结构并兼容Wi-Fi 6E频段的终端天线，基于FPC加工工艺，天线枝节弯曲并小型化，使天线的尺寸仅占用16.6×8.1×7.3mm。通过查看天线表面电流分布，进而确定对应频段的辐射枝节，通过修改天线辐射枝节的长短查看S11的变化情况。将仿真天线进行加工，查看实测结果和仿真结果较为吻合，能够覆盖Wi-Fi通信频段，对于笔记本电脑的天线设计具有很好的应用价值。