基于ANSYS HFSS 软件的WiFi天线设计与优化

【摘要】：本文通过分析实际当中Wi-fi 技术的技术要求，包括天线增益、辐射方向、工程实际情况等因素。建立了基本的模型，通过ANSYS HFSS 软件进行电磁场有限元方法（FEM）仿真分析并优化，最终采用双层微带阵列的结构，顶层材料为Rogers TMM(4)的介质板，底层为空气层。在微带天线中介质板的介电常数和损耗对整个天线的增益和损耗的影响很大，是一个必须要考虑的要求。由于空气的介电常数低，损耗小，不仅减小了损耗，提高了增益，拓宽了带宽，而且在一定程度上降低了工程中对优良介质板的要求。

    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 <<λ，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

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