基于ANSYS HFSS 軟件的WiFi天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化
【摘要】:本文通過(guò)分析實(shí)際當(dāng)中Wi-fi 技術(shù)的技術(shù)要求,包括天線增益、輻射方向、工程實(shí)際情況等因素。建立了基本的模型,通過(guò)ANSYS HFSS 軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元方法(FEM)仿真分析并優(yōu)化,最終采用雙層微帶陣列的結(jié)構(gòu),頂層材料為Rogers TMM(4)的介質(zhì)板,底層為空氣層。在微帶天線中介質(zhì)板的介電常數(shù)和損耗對(duì)整個(gè)天線的增益和損耗的影響很大,是一個(gè)必須要考慮的要求。由于空氣的介電常數(shù)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(duì)優(yōu)良介質(zhì)板的要求。
引言
近代以來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展,并且越來(lái)越普及,Wi-fi 技術(shù)是現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)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(diǎn),受到了很廣范的青睞;因此Wi-fi 技術(shù)和微帶天線技術(shù)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。
ANSYS HFSS 軟件是ANSYS 公司推出的基于自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)的三維電磁場(chǎng)仿真軟件。是目前高頻設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)和分析工具,在射頻產(chǎn)品研制過(guò)程中正日益發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。應(yīng)用HFSS 軟件設(shè)計(jì)天線可以自動(dòng)的得到各種天線參量,如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D 圖等。使用ANSYS HFSS 可以計(jì)算:
1)將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)格(自適應(yīng)網(wǎng)格剖分);
2)在每一個(gè)激勵(lì)端口處計(jì)算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模式;
3)假設(shè)每次激勵(lì)一個(gè)模式,計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)全部電磁場(chǎng)模式;
4)由得到的反射量和傳輸量計(jì)算廣義S矩陣。
協(xié)同其他 ANSYS 系列的仿真軟件例如 Ansoft Designer 可以設(shè)計(jì)各種有源和無(wú)源的器件。ANSYS HFSS 是目前微波工程設(shè)計(jì)的主流軟件。如何更好地學(xué)習(xí)和利用ANSYS HFSS 軟件技術(shù),從而充分發(fā)揮軟件的效率,減小工程設(shè)計(jì)的勞動(dòng)程度,提高工程設(shè)計(jì)效率是目前我們所要解決的主要問(wèn)題。
1 天線模型的計(jì)算和分析
1.1 天線輻射元的設(shè)計(jì)
用傳輸線模式法來(lái)分析微帶天線的輻射原理,設(shè)輻射元的長(zhǎng)為 L,寬為W,介質(zhì)基片的厚度為h,現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長(zhǎng)為L(zhǎng) 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(chǎng)沿h 方向均勻分布,在寬度W 方向沒(méi)有變化,而僅在長(zhǎng)度L 方向上有變化,在兩個(gè)開路端,電場(chǎng)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(chǎn)生的分量 方向產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)相同而同相疊加。微帶天線的輻射可以等效為由兩個(gè)縫隙所組成的二元陣列。寬度W由下式近似取得
通過(guò)計(jì)算和ANSYS HFSS軟件仿真得到單個(gè)輻射元的模型和輻射元上的電場(chǎng)分布圖如圖1-1所示.
圖1-1 單個(gè)輻射元的模型及電場(chǎng)分布
1.2 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
本例當(dāng)中需要用一個(gè)3dB的等分功分器來(lái)連接兩個(gè)輻射元和外部激勵(lì)。功分器為一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò),如圖1-2所示,設(shè)輸入端電阻為Z1,兩個(gè)輸出端的電阻為Z2和Z3,因?yàn)槭堑确止Ψ制鹘Y(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,所以Z2和Z3 相等,為使端口1和端口2、3之間無(wú)反射,根據(jù)傳輸線原理,應(yīng)使
為了不發(fā)生反射,所以Zin1∥Zin2=Z1 。在微帶線中不同的線寬對(duì)應(yīng)著的不同的阻抗,根據(jù)上述換算關(guān)系在 ANSYS HFSS上建立了3維模型,通過(guò)ANSYS HFSS對(duì)三端口散射參數(shù)的計(jì)算優(yōu)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(shè)計(jì)
有了輻射元和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),對(duì)于整體而言就是二者的結(jié)合,結(jié)合實(shí)際要求,通過(guò)利用ANSYS HFSS 軟件進(jìn)行一系列的仿真優(yōu)化,最后選取了用雙層微帶陣列的結(jié)構(gòu)。
圖1-4 優(yōu)化后的天線模型及輻射元電場(chǎng)分布
-
國(guó)內(nèi)最全面的HFSS培訓(xùn)課程,包含7套視頻教程和2本教材,資深專家講解,視頻操作演示,結(jié)合最新工程案例,讓HFSS學(xué)習(xí)不再難...【詳細(xì)介紹】
- hfss好東西大家看
hfss11的問(wèn)題
新書
如何在HFSS中仿真雙導(dǎo)線
大家有沒(méi)有覺(jué)得HFSS11收斂的…
hfss10的安裝問(wèn)題
請(qǐng)問(wèn)仿真過(guò)程中如果手動(dòng)終止…
還是沒(méi)出支持VISTA的版本
弱弱的問(wèn)下,怎么求天線的輸…
阻抗結(jié)果與文章相差很大