基于HFSS天線去耦仿真的設(shè)計(jì)

1、天線去耦網(wǎng)絡(luò)的意義

大多數(shù)無(wú)線系統(tǒng)天線單元的都盡可能的松散排布，其相互之間的間隔足夠大，因此天線間的互耦效應(yīng)較弱。但是在手機(jī)等移動(dòng)終端，由于空間狹窄，天線單元之間間距很小，從而會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁耦合。研究表明，當(dāng)天線間的間距小于或等于信號(hào)波長(zhǎng)的一半時(shí)，接收天線上所收到的信號(hào)已經(jīng)明顯受到互耦效應(yīng)的影響了。當(dāng)天線單元之間的間距繼續(xù)減小，這種現(xiàn)象就會(huì)變得更加明顯，從而嚴(yán)重影響無(wú)線系統(tǒng)的接收性能。因此，一個(gè)空間狹窄的無(wú)線系統(tǒng)，在其天線設(shè)計(jì)過(guò)程中就必須考慮盡可能好的處理天線間的互耦。在工程中，一般用隔離度表征天線間的互耦效應(yīng)，在wifi頻段的天線設(shè)計(jì)中，通常要求天線隔離度大于15dB。

解決天線互耦問(wèn)題的方法有很多，例如改變天線的間距和極化方式、設(shè)計(jì)去耦網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)缺陷地結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)電流中和線等。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)降低天線間的耦合度，天線單元的設(shè)計(jì)和去耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可以分開(kāi)進(jìn)行，避免了聯(lián)合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因此這里先介紹如何使用HFSS仿真設(shè)計(jì)天線去耦網(wǎng)絡(luò)。

2、HFSS仿真設(shè)計(jì)天線去耦網(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(shù)趨向于零。常見(jiàn)的去耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示，其去耦原理正是基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的分步分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以分為以下三個(gè)步驟：

第一步，由于初始天線阻抗匹配良好，而天線之間卻存在強(qiáng)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(dǎo)納從復(fù)數(shù)變?yōu)榧兲摂?shù)。

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

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

HFSS不僅可以準(zhǔn)確仿真天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，在去耦網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)的EM仿真運(yùn)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(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，隔離度和駐波都滿足要求。