基于ANSYS HFSS 軟件的WiFi天線設計與優化

     在天線設計的指標中，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 S11是必須考慮的幾個重要方面。ANSYS HFSS 軟件基于自適應網格剖分技術，用戶可以很方便的設置材料類型、邊界條件和物理尺寸對任意的三維模型進行全波分析求解，進行求解分析。ANSYS HFSS 軟件可以計算出各種主要的天線設計參數。

    2.1 天線增益參數的分析

    天線的輻射方向和增益可以表征天線輻射能量的集束能力和天線從傳輸線獲得的輸入功率轉化成輻射功率的效率，不僅關系到電磁波傳輸的方向范圍和距離范圍，而且關系到天線的發射能力和接收靈敏度。在微帶天線中影響天增益的因素包括以下幾個方面
    1 介質基板的損耗大小； 
    2 天線輻射的表面波損耗； 
    3 方向性的強弱； 
    4 匹配網絡和輸入端的匹配情況； 
    5 天線結構的導體損耗。 
    圖 1-1 所示結構一為單個輻射元，其介質為材料為Rogers TMM(4) ，相對介電常數為4.5，損耗正切0.002；圖1-4 所示結構二為二元天線陣列，相對于結構一有兩點不同，一是采用了組陣的方式增強了方向性，增加了發射方向上的增益。二是增加了空氣介質層，空氣的損耗正切幾乎為0，減小了天線的損耗，也可以增加增益。通過圖 2-1 和圖 2-2 的對比驗證了以上兩點。

圖2-1 單層一元天線增益圖             圖2-2 雙層陣列天線增益圖

圖2-3 單層一元天線二維方向圖      圖2-4雙層陣列天線二維方向圖

    如圖2-1和圖2-3所示，單層一元天線水平波瓣寬度100度，垂直波瓣寬度95度，增益7.5dB。而圖2-2和圖2-4所示，雙層陣列天線水平波瓣寬度90度，垂直波瓣寬度35度，增益11.2dB。優化的效果還是比較顯著的。

    2.2 天線反射參數的分析

    在微波電路中，電壓和電流由于高頻特性的原因已經不能描述電路的特點，并且難以測量。為了表征微波電路的特性需要用能在微波頻率下直接測量的散射參數。也簡稱S參數，具體到天線領域，由于只需要研究輸入端口的情況，只需要散射參數的一種，就是S11參數，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，也就是說有時候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。

    本例中的微帶天線是一種諧振天線，一般只能工作在諧振頻率附近，頻帶比較窄。為了實際的需要，拓寬微帶天線的帶寬的研究是當今的一個發展方向。一般情況下介質板的厚度和介電常數是影響微帶天線工作帶寬的主要因素。本文通過增加使用空氣介質層從而加大介質厚度，對工作帶寬的拓寬起到了很好地效果。

圖2-5 單層一元天線S11參數

圖2-6 雙層陣列天線S11參數 

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