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(xiàn)通信技術(shù)的重要組成部分。微帶天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)可以自動(dòng)的得到各種天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)模型的計(jì)算和分析

1.1、天線(xiàn)輻射元的設(shè)計(jì)

用傳輸線(xiàn)模式法來(lái)分析微帶天線(xiàn)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(xiàn)在傳輸線(xiàn)的兩端斷開(kāi)形成開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)原理，應(yīng)使

為了不發(fā)生反射，所以Zin1∥Zin2=Z1 。在微帶線(xiàn)中不同的線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)模型及輻射元電場(chǎng)分布

2、天線(xiàn)模型的優(yōu)化結(jié)果分析

在天線(xiàn)設(shè)計(jì)的指標(biāo)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(shù) S11是必須考慮的幾個(gè)重要方面。ANSYS HFSS 軟件基于自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，用戶(hù)可以很方便的設(shè)置材料類(lèi)型、邊界條件和物理尺寸對(duì)任意的三維模型進(jìn)行全波分析求解，進(jìn)行求解分析。ANSYS HFSS 軟件可以計(jì)算出各種主要的天線(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1、天線(xiàn)增益參數(shù)的分析

天線(xiàn)的輻射方向和增益可以表征天線(xiàn)輻射能量的集束能力和天線(xiàn)從傳輸線(xiàn)獲得的輸入功率轉(zhuǎn)化成輻射功率的效率，不僅關(guān)系到電磁波傳輸?shù)姆较蚍秶途嚯x范圍，而且關(guān)系到天線(xiàn)的發(fā)射能力和接收靈敏度。在微帶天線(xiàn)中影響天增益的因素包括以下幾個(gè)方面

1 介質(zhì)基板的損耗大小;

2 天線(xiàn)輻射的表面波損耗;

3 方向性的強(qiáng)弱;

4 匹配網(wǎng)絡(luò)和輸入端的匹配情況;

5 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗。

圖 1-1 所示結(jié)構(gòu)一為單個(gè)輻射元，其介質(zhì)為材料為Rogers TMM（4） ，相對(duì)介電常數(shù)為4.5，損耗正切0.002;圖1-4 所示結(jié)構(gòu)二為二元天線(xiàn)陣列，相對(duì)于結(jié)構(gòu)一有兩點(diǎn)不同，一是采用了組陣的方式增強(qiáng)了方向性，增加了發(fā)射方向上的增益。二是增加了空氣介質(zhì)層，空氣的損耗正切 幾乎為0，減小了天線(xiàn)的損耗，也可以增加增益。通過(guò)圖 2-1 和圖 2-2 的對(duì)比驗(yàn)證了以上兩點(diǎn)。

圖2-1 單層一元天線(xiàn)增益圖 圖2-2 雙層陣列天線(xiàn)增益圖

圖2-3 單層一元天線(xiàn)二維方向圖 圖2-4雙層陣列天線(xiàn)二維方向圖

如圖2-1和圖2-3所示，單層一元天線(xiàn)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(xiàn)水平波瓣寬度90度，垂直波瓣寬度35度，增益11.2dB。優(yōu)化的效果還是比較顯著的。

2.2、天線(xiàn)反射參數(shù)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(jīng)不能描述電路的特點(diǎn)，并且難以測(cè)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(cè)量的散射參數(shù)。也 簡(jiǎn)稱(chēng)S參數(shù)，具體到天線(xiàn)領(lǐng)域，由于只需要研究輸入端口的情況，只需要散射參數(shù)的一種，就是S11參數(shù)，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(shuō)有時(shí)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(shí)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(jù)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。

圖2-5 單層一元天線(xiàn)S11參數(shù)

圖2-6 雙層陣列天線(xiàn)S11參數(shù)

本例中的微帶天線(xiàn)是一種諧振天線(xiàn)，一般只能工作在諧振頻率附近，頻帶比較窄。為了實(shí)際的需要，拓寬微帶天線(xiàn)的帶寬的研究是當(dāng)今的一個(gè)發(fā)展方向。一般情況下 介質(zhì)板的厚度和介電常數(shù)是影響微帶天線(xiàn)工作帶寬的主要因素。本文通過(guò)增加使用空氣介質(zhì)層從而加大介質(zhì)厚度，對(duì)工作帶寬的拓寬起到了很好地效果。