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基于ANSYS HFSS 軟件的WiFi天線設計與優化

【摘要】：本文通過分析實際當中Wi-fi 技術的技術要求，包括天線增益、輻射方向、工程實際情況等因素。建立了基本的模型，通過ANSYS HFSS 軟件進行電磁場有限元方法（FEM）仿真分析并優化，最終采用雙層微帶陣列的結構，頂層材料為Rogers TMM(4)的介質板，底層為空氣層。在微帶天線中介質板的介電常數和損耗對整個天線的增益和損耗的影響很大，是一個必須要考慮的要求。由于空氣的介電常數低，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優良介質板的要求。

    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

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