基于HFSS天線(xiàn)去耦仿真的設計

1、天線(xiàn)去耦網(wǎng)絡(luò )的意義

大多數無(wú)線(xiàn)系統天線(xiàn)單元的都盡可能的松散排布，其相互之間的間隔足夠大，因此天線(xiàn)間的互耦效應較弱。但是在手機等移動(dòng)終端，由于空間狹窄，天線(xiàn)單元之間間距很小，從而會(huì )產(chǎn)生強烈的電磁耦合。研究表明，當天線(xiàn)間的間距小于或等于信號波長(cháng)的一半時(shí)，接收天線(xiàn)上所收到的信號已經(jīng)明顯受到互耦效應的影響了。當天線(xiàn)單元之間的間距繼續減小，這種現象就會(huì )變得更加明顯，從而嚴重影響無(wú)線(xiàn)系統的接收性能。因此，一個(gè)空間狹窄的無(wú)線(xiàn)系統，在其天線(xiàn)設計過(guò)程中就必須考慮盡可能好的處理天線(xiàn)間的互耦。在工程中，一般用隔離度表征天線(xiàn)間的互耦效應，在wifi頻段的天線(xiàn)設計中，通常要求天線(xiàn)隔離度大于15dB。

解決天線(xiàn)互耦問(wèn)題的方法有很多，例如改變天線(xiàn)的間距和極化方式、設計去耦網(wǎng)絡(luò )、設計缺陷地結構、設計電流中和線(xiàn)等。這些方法都可以利用HFSS來(lái)進(jìn)行仿真分析，其中利用去耦網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)降低天線(xiàn)間的耦合度，天線(xiàn)單元的設計和去耦網(wǎng)絡(luò )的設計可以分開(kāi)進(jìn)行，避免了聯(lián)合仿真優(yōu)化設計的復雜性，因此這里先介紹如何使用HFSS仿真設計天線(xiàn)去耦網(wǎng)絡(luò )。

2、HFSS仿真設計天線(xiàn)去耦網(wǎng)絡(luò )的步驟

從網(wǎng)絡(luò )分析的角度來(lái)看，去耦的實(shí)質(zhì)就是使多端口網(wǎng)絡(luò )的阻抗矩陣的互阻抗趨向于零，或者使散射矩陣的反向傳輸系數趨向于零。常見(jiàn)的去耦網(wǎng)絡(luò )結構如下圖所示，其去耦原理正是基于對網(wǎng)絡(luò )參數的分步分析來(lái)實(shí)現的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以分為以下三個(gè)步驟：

第一步，由于初始天線(xiàn)阻抗匹配良好，而天線(xiàn)之間卻存在強烈的耦合。因此網(wǎng)絡(luò )D的功能是將兩個(gè)端口之間的傳輸導納從復數變?yōu)榧兲摂怠?/p>

第二步，引入并聯(lián)電抗來(lái)抵消上述的純虛數傳輸導納，使得傳輸導納的取值為零，這樣便達到了去耦的目的。

第三步，由于去耦網(wǎng)絡(luò )的引入，從端口看去天線(xiàn)的阻抗失配，因此，再外加匹配網(wǎng)絡(luò )使得天線(xiàn)達到阻抗匹配。

HFSS不僅可以準確仿真天線(xiàn)的遠場(chǎng)輻射特性，在去耦網(wǎng)絡(luò )、匹配網(wǎng)絡(luò )的EM仿真運用上也便利。下面舉一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例。

1、兩根相距很近的wifi頻段單極子天線(xiàn)(2.4-2.5GHz)，仿真隔離度很差，中心頻點(diǎn)處僅3dB。

2、利用lumped RLC邊界條件，建立去耦網(wǎng)絡(luò )D，再次仿真，隔離度提升明顯，但天線(xiàn)諧振點(diǎn)發(fā)生了偏移。

3、再搭建匹配網(wǎng)絡(luò )，并仿真，隔離度和駐波都滿(mǎn)足要求。