基于ANSYS HFSS 软件的WiFi天线设计与优化

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引言
        近代以来移动通信技术迅猛发展，并且越来越普及，Wi-fi 技术是现代无线通信技术的重要组成部分。微带天线由于其剖面低，方向性好，制作可行性高，成本低，可贴合于物体表面以及容易组阵等特点，受到了很广范的青 睐；因此Wi-fi 技术和微带天线技术是近年来研究的热点。
         
        ANSYS HFSS 软件是ANSYS 公司推出的基于自适应网格剖分技术的三维电磁场仿真软件。是目前高频设计的主要设计和分析工具，在射频产品研制过程中正日益发挥着越来越重要的作用。应用 HFSS 软件设计天线可以自动的得到各种天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D 图等。使用ANSYS HFSS 可以计算：
        1）将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）；
        2）在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式；
        3）假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式；
        4）由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵。
       
        协同其他 ANSYS 系列的仿真软件例如 Ansoft Designer 可以设计各种有源和无源的器件。ANSYS HFSS 是目前微波工程设计的主流软件。如何更好地学习和利用ANSYS HFSS 软件技术，从而充分发挥软件的效率，减小工程设计的劳动程度，提高工程设计效率是目前我们所要解决的主要问题。
         
        1 天线模型的计算和分析
        1.1 天线辐射元的设计
        用传输线模式法来分析微带天线的辐射原理，设辐射元的长为 L，宽为W，介质基片的厚度为h，现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L 的微带传输线在传输线的两端断开形成开路，由于基片厚度h <<&lambda;，场沿h 方向均匀分布，在宽度W 方向没有变化，而仅在长度L 方向上有变化，在两个开路端，电场均可以分解为垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反因而反相而相抵消，两水平分量所产生的分量 方向产生的远区场相同而同相叠加。微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。宽度W由下式近似取得
         
       

         

        通过计算和ANSYS HFSS软件仿真得到单个辐射元的模型和辐射元上的电场分布图如图1-1所示.

       
        图1-1 单个辐射元的模型及电场分布

        1.2  匹配网络的设计
        本例当中需要用一个3dB的等分功分器来连接两个辐射元和外部激励。功分器为一个三端口网络，如图1-2所示，设输入端电阻为Z1，两个输出端的电阻为 Z2和Z3，因为是等分功分器结构是对称的，所以Z2和Z3 相等，为使端口１和端口２、３之间无反射，根据传输线原理，应使

       

        为了不发生反射，所以Zin1∥Zin2=Z1 。在微带线中不同的线宽对应着的不同的阻抗，根据上述换算关系在 ANSYS HFSS上建立了３维模型，通过ANSYS HFSS对三端口散射参数的计算优化确定了功分器的外型
         

       
        图1-2 功分器原理示意图      图1-3 基于ANSYS HFSS的功分器建模

         

        1.3天线整体的设计
        有了辐射元和匹配网络的设计，对于整体而言就是二者的结合，结合实际要求，通过利用ANSYS HFSS 软件进行一系列的仿真优化，最后选取了用双层微带阵列的结构。

       
        图1-4 优化后的天线模型及辐射元电场分布

         

        2 天线模型的优化结果分析
        在天线设计的指标中，辐射方向、工作带宽、辐射增益、电压驻波比VSWR 以及输入端口的行波反射系数 S11是必须考虑的几个重要方面。ANSYS HFSS 软件基于自适应网格剖分技术，用户可以很方便的设置材料类型、边界条件和物理尺寸对任意的三维模型进行全波分析求解，进行求解分析。ANSYS HFSS 软件可以计算出各种主要的天线设计参数。
         
        2.1 天线增益参数的分析
        天线的辐射方向和增益可以表征天线辐射能量的集束能力和天线从传输线获得的输入功率转化成辐射功率的效率，不仅关系到电磁波传输的方向范围和距离范围，而且关系到天线的发射能力和接收灵敏度。在微带天线中影响天增益的因素包括以下几个方面
        1 介质基板的损耗大小；
        2 天线辐射的表面波损耗；
        3 方向性的强弱；
        4 匹配网络和输入端的匹配情况；
        5 天线结构的导体损耗。
       
        图 1-1 所示结构一为单个辐射元，其介质为材料为Rogers TMM(4) ，相对介电常数为4.5，损耗正切0.002；图1-4 所示结构二为二元天线阵列，相对于结构一有两点不同，一是采用了组阵的方式增强了方向性，增加了发射方向上的增益。二是增加了空气介质层，空气的损耗正切 几乎为0，减小了天线的损耗，也可以增加增益。通过图 2-1 和图 2-2 的对比验证了以上两点。
         

       

        图2-1 单层一元天线增益图             图2-2 双层阵列天线增益图

         

       
        图2-3 单层一元天线二维方向图      图2-4双层阵列天线二维方向图

        如图2-1和图2-3所示，单层一元天线水平波瓣宽度100度，垂直波瓣宽度95度，增益7.5dB。而图2-2和图2-4所示，双层阵列天线水平波瓣宽度90度，垂直波瓣宽度35度，增益11.2dB。优化的效果还是比较显著的。
         
        2.2 天线反射参数的分析
        在微波电路中，电压和电流由于高频特性的原因已经不能描述电路的特点，并且难以测量。为了表征微波电路的特性需要用能在微波频率下直接测量的散射参数。也 简称S参数，具体到天线领域，由于只需要研究输入端口的情况，只需要散射参数的一种，就是S11参数，表示的是输入端口的反射和入射的比值。普通意义上的 S11和电压驻波比VSWR是可以相互换算的，也就是说有时候S11和电压驻波比VSWR只需要观察一种就可以了，本文选择观察S11。通常S11在实际 意义上不 仅可以表示输入功率的利用率，而且还可以根据不同频率下的S11观察元件的工作带宽。S11越小功率的利用率越大，一般取S11在-15dB以下。
         
        本例中的微带天线是一种谐振天线，一般只能工作在谐振频率附近，频带比较窄。为了实际的需要，拓宽微带天线的带宽的研究是当今的一个发展方向。一般情况下 介质板的厚度和介电常数是影响微带天线工作带宽的主要因素。本文通过增加使用空气介质层从而加大介质厚度，对工作带宽的拓宽起到了很好地效果。

       
        图2-5 单层一元天线S11参数

       
        图2-6 双层阵列天线S11参数