基于ANSYS HFSS 软件的WiFi天线设计与优化

     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 

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