基于ANSYS HFSS 軟件的WiFi天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化 - 全文

近代以來移動通信技術(shù)迅猛發(fā)展，并且越來越普及，Wi-fi 技術(shù)是現(xiàn)代無線通信技術(shù)的重要組成部分。微帶天線由于其剖面低，方向性好，制作可行性高，成本低，可貼合于物體表面以及容易組陣等特點(diǎn)，受到了很廣范的青 睞;因此Wi-fi 技術(shù)和微帶天線技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn)。

ANSYS HFSS 軟件是ANSYS 公司推出的基于自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)的三維電磁場仿真軟件。是目前高頻設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)和分析工具，在射頻產(chǎn)品研制過程中正日益發(fā)揮著越來越重要的作用。應(yīng)用 HFSS 軟件設(shè)計(jì)天線可以自動的得到各種天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場方向圖剖面、遠(yuǎn)場3D 圖等。使用ANSYS HFSS 可以計(jì)算：

1)將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)格(自適應(yīng)網(wǎng)格剖分);

2)在每一個(gè)激勵端口處計(jì)算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模式;

3)假設(shè)每次激勵一個(gè)模式，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)全部電磁場模式;

4)由得到的反射量和傳輸量計(jì)算廣義S矩陣。

協(xié)同其他 ANSYS 系列的仿真軟件例如 Ansoft Designer 可以設(shè)計(jì)各種有源和無源的器件。ANSYS HFSS 是目前微波工程設(shè)計(jì)的主流軟件。如何更好地學(xué)習(xí)和利用ANSYS HFSS 軟件技術(shù)，從而充分發(fā)揮軟件的效率，減小工程設(shè)計(jì)的勞動程度，提高工程設(shè)計(jì)效率是目前我們所要解決的主要問題。

1、天線模型的計(jì)算和分析

1.1、天線輻射元的設(shè)計(jì)

用傳輸線模式法來分析微帶天線的輻射原理，設(shè)輻射元的長為 L，寬為W，介質(zhì)基片的厚度為h，現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長為L 的微帶傳輸線在傳輸線的兩端斷開形成開路，由于基片厚度h <<λ，場沿h 方向均勻分布，在寬度W 方向沒有變化，而僅在長度L 方向上有變化，在兩個(gè)開路端，電場均可以分解為垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反因而反相而相抵消，兩水平分量所產(chǎn)生的分量 方向產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場相同而同相疊加。微帶天線的輻射可以等效為由兩個(gè)縫隙所組成的二元陣列。寬度W由下式近似取得

通過計(jì)算和ANSYS HFSS軟件仿真得到單個(gè)輻射元的模型和輻射元上的電場分布圖如圖1-1所示.

圖1-1 單個(gè)輻射元的模型及電場分布

1.2、匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

本例當(dāng)中需要用一個(gè)3dB的等分功分器來連接兩個(gè)輻射元和外部激勵。功分器為一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1-2所示，設(shè)輸入端電阻為Z1，兩個(gè)輸出端的電阻為 Z2和Z3，因?yàn)槭堑确止Ψ制鹘Y(jié)構(gòu)是對稱的，所以Z2和Z3 相等，為使端口1和端口2、3之間無反射，根據(jù)傳輸線原理，應(yīng)使

為了不發(fā)生反射，所以Zin1∥Zin2=Z1 。在微帶線中不同的線寬對應(yīng)著的不同的阻抗，根據(jù)上述換算關(guān)系在 ANSYS HFSS上建立了3維模型，通過ANSYS HFSS對三端口散射參數(shù)的計(jì)算優(yōu)化確定了功分器的外型

圖1-2 功分器原理示意圖 圖1-3 基于ANSYS HFSS的功分器建模

1.3、天線整體的設(shè)計(jì)

有了輻射元和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，對于整體而言就是二者的結(jié)合，結(jié)合實(shí)際要求，通過利用ANSYS HFSS 軟件進(jìn)行一系列的仿真優(yōu)化，最后選取了用雙層微帶陣列的結(jié)構(gòu)。

圖1-4 優(yōu)化后的天線模型及輻射元電場分布

2、天線模型的優(yōu)化結(jié)果分析

在天線設(shè)計(jì)的指標(biāo)中，輻射方向、工作帶寬、輻射增益、電壓駐波比VSWR 以及輸入端口的行波反射系數(shù) S11是必須考慮的幾個(gè)重要方面。ANSYS HFSS 軟件基于自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，用戶可以很方便的設(shè)置材料類型、邊界條件和物理尺寸對任意的三維模型進(jìn)行全波分析求解，進(jìn)行求解分析。ANSYS HFSS 軟件可以計(jì)算出各種主要的天線設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1、天線增益參數(shù)的分析

天線的輻射方向和增益可以表征天線輻射能量的集束能力和天線從傳輸線獲得的輸入功率轉(zhuǎn)化成輻射功率的效率，不僅關(guān)系到電磁波傳輸?shù)姆较蚍秶途嚯x范圍，而且關(guān)系到天線的發(fā)射能力和接收靈敏度。在微帶天線中影響天增益的因素包括以下幾個(gè)方面

1 介質(zhì)基板的損耗大小;

2 天線輻射的表面波損耗;

3 方向性的強(qiáng)弱;

4 匹配網(wǎng)絡(luò)和輸入端的匹配情況;

5 天線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗。

圖 1-1 所示結(jié)構(gòu)一為單個(gè)輻射元，其介質(zhì)為材料為Rogers TMM(4) ，相對介電常數(shù)為4.5，損耗正切0.002;圖1-4 所示結(jié)構(gòu)二為二元天線陣列，相對于結(jié)構(gòu)一有兩點(diǎn)不同，一是采用了組陣的方式增強(qiáng)了方向性，增加了發(fā)射方向上的增益。二是增加了空氣介質(zhì)層，空氣的損耗正切 幾乎為0，減小了天線的損耗，也可以增加增益。通過圖 2-1 和圖 2-2 的對比驗(yàn)證了以上兩點(diǎn)。

圖2-1 單層一元天線增益圖 圖2-2 雙層陣列天線增益圖

圖2-3 單層一元天線二維方向圖 圖2-4雙層陣列天線二維方向圖

如圖2-1和圖2-3所示，單層一元天線水平波瓣寬度100度，垂直波瓣寬度95度，增益7.5dB。而圖2-2和圖2-4所示，雙層陣列天線水平波瓣寬度90度，垂直波瓣寬度35度，增益11.2dB。優(yōu)化的效果還是比較顯著的。

2.2、天線反射參數(shù)的分析

在微波電路中，電壓和電流由于高頻特性的原因已經(jīng)不能描述電路的特點(diǎn)，并且難以測量。為了表征微波電路的特性需要用能在微波頻率下直接測量的散射參數(shù)。也 簡稱S參數(shù)，具體到天線領(lǐng)域，由于只需要研究輸入端口的情況，只需要散射參數(shù)的一種，就是S11參數(shù)，表示的是輸入端口的反射和入射的比值。普通意義上的 S11和電壓駐波比VSWR是可以相互換算的，也就是說有時(shí)候S11和電壓駐波比VSWR只需要觀察一種就可以了，本文選擇觀察S11。通常S11在實(shí)際 意義上不 僅可以表示輸入功率的利用率，而且還可以根據(jù)不同頻率下的S11觀察元件的工作帶寬。S11越小功率的利用率越大，一般取S11在-15dB以下。

本例中的微帶天線是一種諧振天線，一般只能工作在諧振頻率附近，頻帶比較窄。為了實(shí)際的需要，拓寬微帶天線的帶寬的研究是當(dāng)今的一個(gè)發(fā)展方向。一般情況下 介質(zhì)板的厚度和介電常數(shù)是影響微帶天線工作帶寬的主要因素。本文通過增加使用空氣介質(zhì)層從而加大介質(zhì)厚度，對工作帶寬的拓寬起到了很好地效果。

圖2-5 單層一元天線S11參數(shù)

圖2-6 雙層陣列天線S11參數(shù)