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

     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(duì)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�和距離范圍，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��； 
    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(duì)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(duì)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(guò)圖 2-1 和圖 2-2 的對(duì)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(cè)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(cè)量的散射參數(shù)。也簡(jiǎn)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(shuō)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(guò)增加使用空氣介質(zhì)層從而加大介質(zhì)厚度，對(duì)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) 

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