基于參數化仿真的天線(xiàn)性能改善

傳統的天線(xiàn)設計是一個(gè)反復試驗找錯的過(guò)程，包括建立一系列原型并反復測試其性能以獲得最優(yōu)化的設計。最近，天線(xiàn)設計師已經(jīng)開(kāi)始將天線(xiàn)作為軟件原型進(jìn)行仿真，只需建立物理原型所用時(shí)間的一小部分就可完成備選設計的分析。但是，通常這種方法仍然要遵循以前的物理原型建立過(guò)程中使用的反復過(guò)程：建模設計、仿真性能、對模型進(jìn)行修改以努力改進(jìn)設計，然后再重復這一過(guò)程仿真新的設計。有幾家公司已經(jīng)采用了新的方法。新方法只需一次分析就能全面*估各種設計參數，可涵蓋整個(gè)設計空間，無(wú)需通常的反復過(guò)程就能選出最優(yōu)的設計。下面將要看到，這種方法可用來(lái)設計WiMAX陣列的饋電網(wǎng)絡(luò )，并有助于實(shí)現對所關(guān)心頻段的全頻覆蓋。

過(guò)去的十年見(jiàn)證了許多新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)的推出，包括藍牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)、2.5G和3G蜂窩電話(huà)、射頻識別技術(shù) (RFID)、超寬帶(UWB)通信等。每一種新技術(shù)都需要天線(xiàn)設計方面的創(chuàng )新以實(shí)現其全部潛能；單個(gè)系統經(jīng)常會(huì )采用多項無(wú)線(xiàn)技術(shù)，因此造成了更復雜的情況?，F代個(gè)人計算機(PC)可能有一個(gè)或多個(gè)緊鄰的Wi-Fi、藍牙和蜂窩天線(xiàn)。除了正常的天線(xiàn)設計問(wèn)題外，也形成了由天線(xiàn)間耦合所帶來(lái)的一系列新的復雜問(wèn)題。

傳統的天線(xiàn)設計是一個(gè)反復試驗找錯的過(guò)程，包括建立一系列原型并反復測試其性能以獲得最優(yōu)化的設計。這種方法的最大問(wèn)題是，對每個(gè)原型進(jìn)行設計、構造和測試通常需要約一個(gè)月的時(shí)間。為了滿(mǎn)足設計要求可能需要相當多的反復次數，達到最優(yōu)設計的反復次數就更多。這種方法的另一個(gè)問(wèn)題是，它通常不可能滿(mǎn)足工作臺上的最終安裝環(huán)境。常常有必要在設計周期的后期進(jìn)行額外的設計反復。有時(shí)候這意味著(zhù)天線(xiàn)開(kāi)發(fā)可能會(huì )阻礙產(chǎn)品投放市場(chǎng)，且存在潛在的巨大收入虧損，甚至在最壞情況下錯過(guò)該產(chǎn)品最好的市場(chǎng)機會(huì )。

以下是一個(gè)采用新的天線(xiàn)設計方法的例子，它建模并仿真了原始概念設計，然后用變量替代關(guān)鍵設計參數。用戶(hù)定義每個(gè)變量的范圍，仿真引擎為每個(gè)可能的變量組合創(chuàng )建模型和性能預測。與單獨創(chuàng )建每個(gè)設計相比，用戶(hù)僅需定義感興趣的設計空間，并從由參數仿真過(guò)程創(chuàng )建的可選方案中選擇最好的設計，因此優(yōu)化設計所需的時(shí)間可以被明顯縮短。

本項目的目標是設計一個(gè)WiMAX天線(xiàn)陣列，并覆蓋從3.4~3.65GHz這一波段。波長(cháng)為 (2.998×108)/(3.4×109)=8.818mm。設計策略是采用距每個(gè)片狀天線(xiàn)等長(cháng)的中央饋電方法，從而使各個(gè)天線(xiàn)輻射同相。網(wǎng)絡(luò )中心通過(guò)一個(gè)50Ω同軸探針獲得饋電，并連接到100Ω饋線(xiàn)的中心。饋線(xiàn)的每一端終止于一個(gè)四分之一波長(cháng)阻抗變換器，它將100Ω阻抗變換為一個(gè)線(xiàn)段，然后再分割成兩條饋線(xiàn)，每條饋線(xiàn)對一個(gè)片狀天線(xiàn)元件進(jìn)行饋電。

設計過(guò)程中的第一個(gè)基本步驟是計算片狀天線(xiàn)的邊緣阻抗，并利用饋電網(wǎng)絡(luò )并通過(guò)變換器實(shí)現邊緣阻抗到50Ω饋線(xiàn)的反向匹配。使用一個(gè)基于公式的傳輸線(xiàn)計算器可完成這項工作，但依據基礎微波理論使用線(xiàn)路阻抗公式也能完成該該項工作。另一個(gè)約束就是四個(gè)輻射片狀天線(xiàn)之間必須充分隔離以免相互干擾。

襯底厚度為1.6mm，同時(shí)根據相對介電常數(εr)為3.58來(lái)選擇襯底材料。下一步是使用近似公式來(lái)計算片狀天線(xiàn)的邊緣阻抗。一個(gè)很薄的半波長(cháng)片狀天線(xiàn)的校正邊長(cháng)為：

所有線(xiàn)跡阻抗必須與同軸探針饋電匹配，因此不需對天線(xiàn)元件進(jìn)行嵌入饋電。假設片狀天線(xiàn)寬為25mm，可根據長(cháng)度(L)和寬度(W)計算近似的邊緣阻抗：

可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的RF計算器計算目標基板上100Ω饋線(xiàn)的寬度：W100=0.852mm。

已知邊緣阻抗，馬上可以計算出其他阻抗和微帶帶寬。兩個(gè)100Ω片狀天線(xiàn)從上方連接到饋電點(diǎn)，其他兩個(gè)片狀天線(xiàn)從下方連接到饋電點(diǎn)。每個(gè)連接線(xiàn)段的阻抗 (Z)必須滿(mǎn)足Z=100/2=50Ω，50Ω微帶帶寬為：50=3.497mm。此外，四分之一波長(cháng)變換器用于連接100Ω饋線(xiàn)各點(diǎn)上的50Ω線(xiàn)段：

W70=1.96mm

L=11.9mm

下一步是要*估原始設計的性能。與其花費時(shí)間建立原型，不如采用Flomerics公司的MicroStripes軟件將天線(xiàn)仿真成軟件原型。該軟件包使用傳輸線(xiàn)路矩陣(TLM)方法在時(shí)域解算Maxwell方程。MicroStripes一次計算就能解算所有感興趣的頻率，因此可以在一個(gè)仿真周期內捕獲系統的全部寬帶響應。TLM方法創(chuàng )建了等效傳輸線(xiàn)矩陣，并直接解算這些線(xiàn)上的電壓和電流。這種方法要比求解傳統計算網(wǎng)格上的電(E)磁(H)場(chǎng)方法節省內存和中央處理單元(CPU)的時(shí)間。

采用仿真程序的ACIS建模器*估原始天線(xiàn)設計，并依據原始形狀構造WiMAX天線(xiàn)的幾何形狀。除了上述的饋電網(wǎng)絡(luò )外，這還涉及到在每條線(xiàn)跡末端創(chuàng )建片狀天線(xiàn)和大小為110×100mm的襯底和地平面。為了減少旁瓣，需要依據片狀天線(xiàn)邊緣間隙選擇面積大小。一個(gè)完整的設計如圖2所示。計算域擴大了模型最大尺寸的30%，以便在遠場(chǎng)區固定外部吸收邊界。這種仿真結果與在電波暗室中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的測量結果相同。然后，軟件自動(dòng)生成網(wǎng)格，并迅速轉變?yōu)閹缀涡螤?，并圍繞彎曲區域和電介區域邊界進(jìn)行精確調整。

時(shí)域仿真的通病就是精細單元會(huì )向計算域的邊界擴散。這大大增加了網(wǎng)格中單元的數量，導致大量?jì)却嫦暮秃荛L(cháng)計算時(shí)間。然而，TLM軟件采用的octree subgrid網(wǎng)格算法能自動(dòng)地將遠離幾何細節的計算單元逐漸聚積起來(lái)。該軟件的多柵網(wǎng)格能力使精細單元僅位于天線(xiàn)占用的空間，而周?chē)淖杂煽臻g區域則用較粗糙的網(wǎng)格進(jìn)行建模。集總單元的最終尺寸僅受限于本地介電常數、滲透性和所關(guān)心的最高頻率。這使得具有極高分辨率的網(wǎng)格能捕獲關(guān)鍵但是微小的電氣細節，而不會(huì )對整體單元數量產(chǎn)生大的影響。octree算法可以將單元數由原始設計的801,600減少到71,313個(gè)，圖3中的$區域顯示了集總單元。

該仿真采用一個(gè)注入同軸天線(xiàn)端口的寬帶高斯脈沖激勵；通過(guò)時(shí)間步進(jìn)捕獲時(shí)間標記。采用快速傅立葉變換(FFT)處理該響應可以生成天線(xiàn)整個(gè)頻段的頻域結果 (圖4)。圖4左上角的一小塊區域用三維圖表顯示了增益，而右上角的區域通過(guò)三維圖表的一個(gè)單一截面顯示增益。左下角的圖表顯示了導體的表面電流和在片狀天線(xiàn)邊緣附近的平面電場(chǎng)。最后，圖表的右下角顯示了相對于頻率的天線(xiàn)回波損耗。該回波損耗圖表明設計只在頻帶的一小部分內有效，而不是在整個(gè)WiMAX頻率范圍內都滿(mǎn)足運行目標。只有在頻率范圍為3.38~3.48GHz之間回波損耗才低于6dB。

為了改善天線(xiàn)的頻率響應，首先所做的嘗試是簡(jiǎn)單地鈍化連接片狀天線(xiàn)的線(xiàn)路銳角以減少不必要的反射。這種方法能提供微小的改善但仍不足以滿(mǎn)足設計目標。下一步是在變換器中添加一塊區域以減少每個(gè)變換器都要修正的不匹配問(wèn)題，這樣能提供更寬的頻率覆蓋。針對多段變換器設計的公式型計算器可用來(lái)給新變換器提供初始尺寸。在仿真整個(gè)天線(xiàn)的原始寬帶設計中，仿真結果表明了天線(xiàn)在WiMAX頻段的兩個(gè)相向端點(diǎn)提供了兩個(gè)獨立的頻帶，如圖5所示。

很明顯，新型饋電網(wǎng)絡(luò )的設計需要更好地與當前片狀天線(xiàn)設計的輸入阻抗和諧振頻率相匹配，反之亦然。使用傳統的仿真方法涉及到一個(gè)反復試驗查錯的過(guò)程，該過(guò)程可能需要多次修改變換器區域和片狀天線(xiàn)的長(cháng)度、寬度和角度才能得到滿(mǎn)意的結果。這種方法比起建立和測試原型來(lái)說(shuō)效率可能要高一些，但是建立每個(gè)模型并等待仿真結果仍要占用相當多的時(shí)間。由于要考慮多個(gè)設計參數，充分探索設計空間所需的仿真次數將成幾何級數增長(cháng)。例如，在這種反饋網(wǎng)絡(luò )中測試4個(gè)不同寬度、4個(gè)不同長(cháng)度和4個(gè)不同角度的所有分段共需運行4,096次不同的仿真過(guò)程。

在本應用實(shí)例中，利用軟件改進(jìn)了設計過(guò)程，該軟件具有允許用戶(hù)用變量替代設計參數的特點(diǎn)。用戶(hù)建模他們的概念設計，將幾何實(shí)體確定為變量，為每個(gè)變量選擇上下限和步長(cháng)。然后該軟件產(chǎn)生能完全探索用戶(hù)定義設計領(lǐng)域所需的多次仿真反復。每次仿真的結果顯示在一個(gè)單獨的圖上，因此用戶(hù)能很快確定哪個(gè)設計參數值能提供最佳性能。在這種情況下，兩個(gè)不同變換器區域的長(cháng)度在每個(gè)變量取三個(gè)不同值時(shí)會(huì )有變化。該軟件可以針對變量的每種組合產(chǎn)生一個(gè)設計，并為每個(gè)設計產(chǎn)生頻域結果。

當仿真運行終止時(shí)，很容易通過(guò)*估結果比較不同設計的性能。當最好的饋電網(wǎng)絡(luò )設計與同樣采用該軟件變量掃描功能調節到理想中心頻率的片狀天線(xiàn)結合在一起時(shí) (圖6)能提供最好的增益和回波損耗值(圖7)。在這一階段，整個(gè)WiMAX頻帶的回波損耗值能確定超過(guò)6dB的最小需求值。該仿真結果還表明額外的連接到片狀天線(xiàn)饋線(xiàn)的參數化設計反復過(guò)程有可能提供進(jìn)一步的性能改善。圖8顯示在最新的設計反復中存在相當大的旁瓣，但是在原始窄帶天線(xiàn)設計中不存在這種問(wèn)題。一個(gè)合理地消除這些旁瓣的方法包括設備另外一個(gè)系列的參數化仿真，這涉及到修改接地平面的尺寸和上下片狀天線(xiàn)對之間的距離等變量。

這個(gè)例子證明相比傳統方法，通過(guò)對更多的潛在設計進(jìn)行*估，計算機仿真更有可能幫助工程師改善天線(xiàn)的性能。為了經(jīng)濟地、不具破壞性地*估和優(yōu)化系統性能，在安裝前可以*估各種潛在配置，從而使仿真過(guò)程能更好地改善天線(xiàn)的可靠性。最新的進(jìn)展是當在用戶(hù)指定范圍內改變一個(gè)或多個(gè)設計參數時(shí)一系列仿真過(guò)程能夠自動(dòng)運行。這一特點(diǎn)將進(jìn)一步加快設計過(guò)程，例如，它能夠迅速考慮大范圍的區域并確定理想饋電網(wǎng)絡(luò )的尺寸。