基于參數(shù)化仿真的天線性能改善

傳統(tǒng)的天線設計是一個反復試驗找錯的過程，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，天線設計師已經(jīng)開始將天線作為軟件原型進行仿真，只需建立物理原型所用時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程中使用的反復過程：建模設計、仿真性能、對模型進行修改以努力改進設計，然后再重復這一過程仿真新的設計。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(shù)，可涵蓋整個設計空間，無需通常的反復過程就能選出最優(yōu)的設計。下面將要看到，這種方法可用來設計WiMAX陣列的饋電網(wǎng)絡，并有助于實現(xiàn)對所關心頻段的全頻覆蓋。

過去的十年見證了許多新的無線技術的推出，包括藍牙、無線局域網(wǎng)(WLAN)、2.5G和3G蜂窩電話、射頻識別技術 (RFID)、超寬帶(UWB)通信等。每一種新技術都需要天線設計方面的創(chuàng)新以實現(xiàn)其全部潛能；單個系統(tǒng)經(jīng)常會采用多項無線技術，因此造成了更復雜的情況?，F(xiàn)代個人計算機(PC)可能有一個或多個緊鄰的Wi-Fi、藍牙和蜂窩天線。除了正常的天線設計問題外，也形成了由天線間耦合所帶來的一系列新的復雜問題。

傳統(tǒng)的天線設計是一個反復試驗找錯的過程，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。這種方法的最大問題是，對每個原型進行設計、構造和測試通常需要約一個月的時間。為了滿足設計要求可能需要相當多的反復次數(shù)，達到最優(yōu)設計的反復次數(shù)就更多。這種方法的另一個問題是，它通常不可能滿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行額外的設計反復。有時候這意味著天線開發(fā)可能會阻礙產(chǎn)品投放市場，且存在潛在的巨大收入虧損，甚至在最壞情況下錯過該產(chǎn)品最好的市場機會。

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

本項目的目標是設計一個WiMAX天線陣列，并覆蓋從3.4~3.65GHz這一波段。波長為 (2.998×108)/(3.4×109)=8.818mm。設計策略是采用距每個片狀天線等長的中央饋電方法，從而使各個天線輻射同相。網(wǎng)絡中心通過一個50Ω同軸探針獲得饋電，并連接到100Ω饋線的中心。饋線的每一端終止于一個四分之一波長阻抗變換器，它將100Ω阻抗變換為一個線段，然后再分割成兩條饋線，每條饋線對一個片狀天線元件進行饋電。

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

襯底厚度為1.6mm，同時根據(jù)相對介電常數(shù)(εr)為3.58來選擇襯底材料。下一步是使用近似公式來計算片狀天線的邊緣阻抗。一個很薄的半波長片狀天線的校正邊長為：

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

可以用一個簡單的RF計算器計算目標基板上100Ω饋線的寬度：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100Ω片狀天線從上方連接到饋電點，其他兩個片狀天線從下方連接到饋電點。每個連接線段的阻抗 (Z)必須滿足Z=100/2=50Ω，50Ω微帶帶寬為：50=3.497mm。此外，四分之一波長變換器用于連接100Ω饋線各點上的50Ω線段：

W70=1.96mm

L=11.9mm

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

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

時域仿真的通病就是精細單元會向計算域的邊界擴散。這大大增加了網(wǎng)格中單元的數(shù)量，導致大量內(nèi)存消耗和很長計算時間。然而，TLM軟件采用的octree subgrid網(wǎng)格算法能自動地將遠離幾何細節(jié)的計算單元逐漸聚積起來。該軟件的多柵網(wǎng)格能力使精細單元僅位于天線占用的空間，而周圍的自由空間區(qū)域則用較粗糙的網(wǎng)格進行建模。集總單元的最終尺寸僅受限于本地介電常數(shù)、滲透性和所關心的最高頻率。這使得具有極高分辨率的網(wǎng)格能捕獲關鍵但是微小的電氣細節(jié)，而不會對整體單元數(shù)量產(chǎn)生大的影響。octree算法可以將單元數(shù)由原始設計的801,600減少到71,313個，圖3中的$區(qū)域顯示了集總單元。

該仿真采用一個注入同軸天線端口的寬帶高斯脈沖激勵；通過時間步進捕獲時間標記。采用快速傅立葉變換(FFT)處理該響應可以生成天線整個頻段的頻域結果 (圖4)。圖4左上角的一小塊區(qū)域用三維圖表顯示了增益，而右上角的區(qū)域通過三維圖表的一個單一截面顯示增益。左下角的圖表顯示了導體的表面電流和在片狀天線邊緣附近的平面電場。最后，圖表的右下角顯示了相對于頻率的天線回波損耗。該回波損耗圖表明設計只在頻帶的一小部分內(nèi)有效，而不是在整個WiMAX頻率范圍內(nèi)都滿足運行目標。只有在頻率范圍為3.38~3.48GHz之間回波損耗才低于6dB。

為了改善天線的頻率響應，首先所做的嘗試是簡單地鈍化連接片狀天線的線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足設計目標。下一步是在變換器中添加一塊區(qū)域以減少每個變換器都要修正的不匹配問題，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給新變換器提供初始尺寸。在仿真整個天線的原始寬帶設計中，仿真結果表明了天線在WiMAX頻段的兩個相向端點提供了兩個獨立的頻帶，如圖5所示。

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

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

當仿真運行終止時，很容易通過*估結果比較不同設計的性能。當最好的饋電網(wǎng)絡設計與同樣采用該軟件變量掃描功能調(diào)節(jié)到理想中心頻率的片狀天線結合在一起時 (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WiMAX頻帶的回波損耗值能確定超過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饋線的參數(shù)化設計反復過程有可能提供進一步的性能改善。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設計中不存在這種問題。一個合理地消除這些旁瓣的方法包括設備另外一個系列的參數(shù)化仿真，這涉及到修改接地平面的尺寸和上下片狀天線對之間的距離等變量。

這個例子證明相比傳統(tǒng)方法，通過對更多的潛在設計進行*估，計算機仿真更有可能幫助工程師改善天線的性能。為了經(jīng)濟地、不具破壞性地*估和優(yōu)化系統(tǒng)性能，在安裝前可以*估各種潛在配置，從而使仿真過程能更好地改善天線的可靠性。最新的進展是當在用戶指定范圍內(nèi)改變一個或多個設計參數(shù)時一系列仿真過程能夠自動運行。這一特點將進一步加快設計過程，例如，它能夠迅速考慮大范圍的區(qū)域并確定理想饋電網(wǎng)絡的尺寸。