- 基于參數(shù)化仿真的WiMAX陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

采用仿真程序的ACIS建模器*估原始天線設(shè)計，并依據(jù)原始形狀構(gòu)造WiMAX天線的幾何形狀。除了上述的饋電網(wǎng)絡(luò)外，這還涉及到在每條線跡末端創(chuàng)建片狀天線和大小為110×100mm的襯底和地平面。為了減少旁瓣，需要依據(jù)片狀天線邊緣間隙選擇面積大小。一個完整的設(shè)計如圖2所示。計算域擴(kuò)大了模型最大尺寸的30%，以便在遠(yuǎn)場區(qū)固定外部吸收邊界。這種仿真結(jié)果與在電波暗室中電場和磁場的測量結(jié)果相同。然后，軟件自動生成網(wǎng)格，并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀涡螤?，并圍繞彎曲區(qū)域和電介區(qū)域邊界進(jìn)行精確調(diào)整。

時域仿真的通病就是精細(xì)單元會向計算域的邊界擴(kuò)散。這大大增加了網(wǎng)格中單元的數(shù)量，導(dǎo)致大量內(nèi)存消耗和很長計算時間。然而，TLM軟件采用的octree subgrid網(wǎng)格算法能自動地將遠(yuǎn)離幾何細(xì)節(jié)的計算單元逐漸聚積起來。該軟件的多柵網(wǎng)格能力使精細(xì)單元僅位于天線占用的空間，而周圍的自由空間區(qū)域則用較粗糙的網(wǎng)格進(jìn)行建模。集總單元的最終尺寸僅受限于本地介電常數(shù)、滲透性和所關(guān)心的最高頻率。這使得具有極高分辨率的網(wǎng)格能捕獲關(guān)鍵但是微小的電氣細(xì)節(jié)，而不會對整體單元數(shù)量產(chǎn)生大的影響。octree算法可以將單元數(shù)由原始設(shè)計的801，600減少到71，313個，圖3中的$區(qū)域顯示了集總單元。

該仿真采用一個注入同軸天線端口的寬帶高斯脈沖激勵；通過時間步進(jìn)捕獲時間標(biāo)記。采用快速傅立葉變換（FFT）處理該響應(yīng)可以生成天線整個頻段的頻域結(jié)果 （圖4）。圖4左上角的一小塊區(qū)域用三維圖表顯示了增益，而右上角的區(qū)域通過三維圖表的一個單一截面顯示增益。左下角的圖表顯示了導(dǎo)體的表面電流和在片狀天線邊緣附近的平面電場。最后，圖表的右下角顯示了相對于頻率的天線回波損耗。該回波損耗圖表明設(shè)計只在頻帶的一小部分內(nèi)有效，而不是在整個WiMAX頻率范圍內(nèi)都滿足運行目標(biāo)。只有在頻率范圍為3.38~3.48GHz之間回波損耗才低于6dB。

為了改善天線的頻率響應(yīng)，首先所做的嘗試是簡單地鈍化連接片狀天線的線路銳角以減少不必要的反射。這種方法能提供微小的改善但仍不足以滿足設(shè)計目標(biāo)。下一步是在變換器中添加一塊區(qū)域以減少每個變換器都要修正的不匹配問題，這樣能提供更寬的頻率覆蓋。針對多段變換器設(shè)計的公式型計算器可用來給新變換器提供初始尺寸。在仿真整個天線的原始寬帶設(shè)計中，仿真結(jié)果表明了天線在WiMAX頻段的兩個相向端點提供了兩個獨立的頻帶，如圖5所示。

很明顯，新型饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需要更好地與當(dāng)前片狀天線設(shè)計的輸入阻抗和諧振頻率相匹配，反之亦然。使用傳統(tǒng)的仿真方法涉及到一個反復(fù)試驗查錯的過程，該過程可能需要多次修改變換器區(qū)域和片狀天線的長度、寬度和角度才能得到滿意的結(jié)果。這種方法比起建立和測試原型來說效率可能要高一些，但是建立每個模型并等待仿真結(jié)果仍要占用相當(dāng)多的時間。由于要考慮多個設(shè)計參數(shù)，充分探索設(shè)計空間所需的仿真次數(shù)將成幾何級數(shù)增長。例如，在這種反饋網(wǎng)絡(luò)中測試4個不同寬度、4個不同長度和4個不同角度的所有分段共需運行4，096次不同的仿真過程。

在本應(yīng)用實例中，利用軟件改進(jìn)了設(shè)計過程，該軟件具有允許用戶用變量替代設(shè)計參數(shù)的特點。用戶建模他們的概念設(shè)計，將幾何實體確定為變量，為每個變量選擇上下限和步長。然后該軟件產(chǎn)生能完全探索用戶定義設(shè)計領(lǐng)域所需的多次仿真反復(fù)。每次仿真的結(jié)果顯示在一個單獨的圖上，因此用戶能很快確定哪個設(shè)計參數(shù)值能提供最佳性能。在這種情況下，兩個不同變換器區(qū)域的長度在每個變量取三個不同值時會有變化。該軟件可以針對變量的每種組合產(chǎn)生一個設(shè)計，并為每個設(shè)計產(chǎn)生頻域結(jié)果。

當(dāng)仿真運行終止時，很容易通過*估結(jié)果比較不同設(shè)計的性能。當(dāng)最好的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與同樣采用該軟件變量掃描功能調(diào)節(jié)到理想中心頻率的片狀天線結(jié)合在一起時 （圖6）能提供最好的增益和回波損耗值（圖7）。在這一階段，整個WiMAX頻帶的回波損耗值能確定超過6dB的最小需求值。該仿真結(jié)果還表明額外的連接到片狀天線饋線的參數(shù)化設(shè)計反復(fù)過程有可能提供進(jìn)一步的性能改善。圖8顯示在最新的設(shè)計反復(fù)中存在相當(dāng)大的旁瓣，但是在原始窄帶天線設(shè)計中不存在這種問題。一個合理地消除這些旁瓣的方法包括設(shè)備另外一個系列的參數(shù)化仿真，這涉及到修改接地平面的尺寸和上下片狀天線對之間的距離等變量。

這個例子證明相比傳統(tǒng)方法，通過對更多的潛在設(shè)計進(jìn)行*估，計算機(jī)仿真更有可能幫助工程師改善天線的性能。為了經(jīng)濟(jì)地、不具破壞性地*估和優(yōu)化系統(tǒng)性能，在安裝前可以*估各種潛在配置，從而使仿真過程能更好地改善天線的可靠性。最新的進(jìn)展是當(dāng)在用戶指定范圍內(nèi)改變一個或多個設(shè)計參數(shù)時一系列仿真過程能夠自動運行。這一特點將進(jìn)一步加快設(shè)計過程，例如，它能夠迅速考慮大范圍的區(qū)域并確定理想饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸。