HFSS對WiFi天線進行設計與優化

2016-02-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

引言

近代以來移動通信技術迅猛發展,并且越來越普及,Wi-fi 技術是現代無線通信技術的重要組成部分。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,受到了很廣范的青睞;因此Wi-fi 技術和微帶天線技術是近年來研究的熱點。

ANSYS HFSS 軟件是ANSYS 公司推出的基于自適應網格剖分技術的三維電磁場仿真軟件。是目前高頻設計的主要設計和分析工具,在射頻產品研制過程中正日益發揮著越來越重要的作用。應用 HFSS 軟件設計天線可以自動的得到各種天線參量,如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D 圖等。使用ANSYS HFSS 可以計算:

1)將結構劃分為有限元網格(自適應網格剖分);

2)在每一個激勵端口處計算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模式;

3)假設每次激勵一個模式,計算結構內全部電磁場模式;

4)由得到的反射量和傳輸量計算廣義S矩陣。

協同其他 ANSYS 系列的仿真軟件例如 Ansoft Designer 可以設計各種有源和無源的器件。ANSYS HFSS 是目前微波工程設計的主流軟件。如何更好地學習和利用ANSYS HFSS 軟件技術,從而充分發揮軟件的效率,減小工程設計的勞動程度,提高工程設計效率是目前我們所要解決的主要問題。

1、天線模型的計算和分析

1.1、天線輻射元的設計

用傳輸線模式法來分析微帶天線的輻射原理,設輻射元的長為 L,寬為W,介質基片的厚度為h,現將輻射元、介質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,兩水平分量所產生的分量方向產生的遠區場相同而同相疊加。微帶天線的輻射可以等效為由兩個縫隙所組成的二元陣列。寬度W由下式近似取得

通過計算和ANSYS HFSS軟件仿真得到單個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 單個輻射元的模型及電場分布

1.2、匹配網絡的設計

本例當中需要用一個3dB的等分功分器來連接兩個輻射元和外部激勵。功分器為一個三端口網絡,如圖1-2所示,設輸入端電阻為Z1,兩個輸出端的電阻為 Z2和Z3,因為是等分功分器結構是對稱的,所以Z2和Z3 相等,為使端口1和端口2、3之間無反射,根據傳輸線原理,應使

為了不發生反射,所以Zin1∥Zin2=Z1 。在微帶線中不同的線寬對應著的不同的阻抗,根據上述換算關系在 ANSYS HFSS上建立了3維模型,通過ANSYS HFSS對三端口散射參數的計算優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、天線整體的設計

有了輻射元和匹配網絡的設計,對于整體而言就是二者的結合,結合實際要求,通過利用ANSYS HFSS 軟件進行一系列的仿真優化,最后選取了用雙層微帶陣列的結構。

圖1-4 優化后的天線模型及輻射元電場分布

2、天線模型的優化結果分析

在天線設計的指標中,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 S11是必須考慮的幾個重要方面。ANSYS HFSS 軟件基于自適應網格剖分技術,用戶可以很方便的設置材料類型、邊界條件和物理尺寸對任意的三維模型進行全波分析求解,進行求解分析。ANSYS HFSS 軟件可以計算出各種主要的天線設計參數。

2.1、天線增益參數的分析

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化成輻射功率的效率,不僅關系到電磁波傳輸的方向范圍和距離范圍,而且關系到天線的發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方面

1 介質基板的損耗大小;

2 天線輻射的表面波損耗;

3 方向性的強弱;

4 匹配網絡和輸入端的匹配情況;

5 天線結構的導體損耗。

圖 1-1 所示結構一為單個輻射元,其介質為材料為Rogers TMM(4) ,相對介電常數為4.5,損耗正切0.002;圖1-4 所示結構二為二元天線陣列,相對于結構一有兩點不同,一是采用了組陣的方式增強了方向性,增加了發射方向上的增益。二是增加了空氣介質層,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 的對比驗證了以上兩點。

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。優化的效果還是比較顯著的。

2.2、天線反射參數的分析

在微波電路中,電壓和電流由于高頻特性的原因已經不能描述電路的特點,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。也簡稱S參數,具體到天線領域,由于只需要研究輸入端口的情況,只需要散射參數的一種,就是S11參數,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。為了實際的需要,拓寬微帶天線的帶寬的研究是當今的一個發展方向。一般情況下介質板的厚度和介電常數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層從而加大介質厚度,對工作帶寬的拓寬起到了很好地效果。