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

【摘要】：本文通過(guò)分析實(shí)際當(dāng)中Wi-fi 技術(shù)的技術(shù)要求，包括天線增益、輻射方向、工程實(shí)際情況等因素。建立了基本的模型，通過(guò)ANSYS HFSS 軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元方法（FEM）仿真分析并優(yōu)化，最終采用雙層微帶陣列的結(jié)構(gòu)，頂層材料為Rogers TMM(4)的介質(zhì)板，底層為空氣層。在微帶天線中介質(zhì)板的介電常數(shù)和損耗對(duì)整個(gè)天線的增益和損耗的影響很大，是一個(gè)必須要考慮的要求。由于空氣的介電常數(shù)低，損耗小，不僅減小了損耗，提高了增益，拓寬了帶寬，而且在一定程度上降低了工程中對(duì)優(yōu)良介質(zhì)板的要求。

    引言

    近代以來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，并且越來(lái)越普及，Wi-fi 技術(shù)是現(xiàn)代無(wú)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(lái)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(chǎng)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(guò)程中正日益發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。應(yīng)用HFSS 軟件設(shè)計(jì)天線可以自動(dòng)的得到各種天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)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(lì)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(lì)一個(gè)模式，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)全部電磁場(chǎng)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(wú)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(dòng)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(wèn)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(lái)分析微帶天線的輻射原理，設(shè)輻射元的長(zhǎng)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(zhǎng)為L(zhǎng) 的微帶傳輸線在傳輸線的兩端斷開(kāi)形成開(kāi)路，由于基片厚度h <<λ，場(chǎng)沿h 方向均勻分布，在寬度W 方向沒(méi)有變化，而僅在長(zhǎng)度L 方向上有變化，在兩個(gè)開(kāi)路端，電場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)分布圖如圖1-1所示.

圖1-1 單個(gè)輻射元的模型及電場(chǎng)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(lái)連接兩個(gè)輻射元和外部激勵(lì)。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(duì)稱(chēng)的，所以Z2和Z3 相等，為使端口１和端口２、３之間無(wú)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(duì)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(guò)ANSYS HFSS對(duì)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(duì)于整體而言就是二者的結(jié)合，結(jié)合實(shí)際要求，通過(guò)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(chǎng)分布

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