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天线是现代无线通信一个重要部件,在整个通信系统中负责接收和发射电磁信号,也是RF设计中一个独立的设计方向,本文通过一个2.4G天线设计实例,讲解天线设计的步骤,也通过设计一个天线,了解ANSYS Electronics Desktop 在微波射频领域的应用.
1. 振子天线原理分析
1.1.振子天线的辐射原理
一般振子天线采用终端开放性结构,采用驻波电流进行辐射,其辐射波瓣图也随着驻波的幅值和相位进行变化 ;传输线上信号路径和回流路径上电流分布相位相反,幅值相等,因此传输线两根导线产生的辐射场会相互抵消(相位相反,因此产生的场方向也是相反的),对外的总辐射场就为0
传输线上面电流分布状况
而且电流分布为正弦分布,每1/2波长的地方为电流最低点(波节电流),1/4波长为波腹电流,也就是最高点,两根导线上面同一地点相位相反
逐渐张开传输线的一端,张开长度为1/4波长,加上传输线之间的距离,实际电流的波腹位置并不会出现在中间点,但这种结构相位差是0°也就是电流方向相同,因此产生的电场不会再相互抵消,因此辐射就产生了
终端张开的传输线,上下导线上面的电场不再相互抵消
1.2. 电流分布与辐射场形
A:当电流相位相等,也就是长度为半个波长的时候,这个时候电流产生的电场相互叠加,因此辐射图表现为(图1)
B:当天线长度为1个波长的时候 电流等相位分布在辐射体上,因此辐射图不会出现旁瓣,方向性也比较好(图2)
C:当天线超过一个波长的时候,在辐射体上面会出现反向电流,反向电流根据相位产生与主瓣不一致的电场,表现为与主瓣方向不一致,因而出现旁瓣(图3)
不同折弯长度下的电流分布
图1:单个折弯长度为1/4波长的场分布图
图2:单个折弯长度为1/2波长的场分布图
图2:单个折弯长度为1个波长的场分布图
图3:单个折弯长度超过1/2波长的场分布图
辐射场图的分布跟振子上面的电流相位和幅值有关系,因此我们设计天线的依据也是辐射振子上面的电流分布状况.
二. HFSS天线建模
2.1 天线数据分析
工作中心频率 2.45Ghz
波长: 122.44mm
材质: pec
求解类型: module
边界条件: 辐射边界条件
端口激励: 集总端口(包含端口积分线,端口阻抗设置对于天线本身仿真结果影响不是太大)
2.2. HFSS模型建立步骤
A: 设置所需变量
进入变量设置界面
变量包括变量名称和变量值
建立变量
大家依次建立下表所示变量
本例所需设置的变量
B: 创建天线辐射体
点击 draw cylinder 在原点画圆柱体,并重新命名为dip,后修改radius为dip_radius;hight修改为radius_hight Z轴坐标改为gap/2 材料改为pec
建好的单个辐射体
点击旋转复制:其中 axis是选择围绕哪个轴旋转,angle是旋转的角度,total mumber是旋转个体的数量,当然这是包含选定的个体,这里我们需要复制一个,加上被旋转的个体 ,所以总数量是2
旋转复制界面
创建辐射边界条件
点击 draw cylinder 在原点画圆柱体,并重新命名为rad,后修改radius为rad_radius;hight修改为rad_hight*2 Z轴坐标改为-rad_hight 材料为真空
辐射边界条件距离辐射体必须大于1/4波长,否则由于太近会产生反射信号,而反射信号与辐射体本身的辐射电场叠加,会导致计算结果出现偏差
设置辐射边界条件
完成后设置激励
画一个长方形在YZ平面上面,位于天线上下臂之间,并分配激励为集总端口,端口阻抗设置为73.2ohm,并设置端口积分线
半波振子天线的阻抗推导为73.2ohm左右,后面会演示如何 把阻抗匹配到50 ohm
设置集总参数端口
求解设置和扫频设置
求解设置和扫频设置
到此建模和仿真设置已经完成,按照下图点击检查和仿真即可
运行检查:若出现红色和黄色的项目需要排查
运行仿真
三. 仿真结果S参数查看和结果分析
天线的S参数能够表征天线的带宽,所以S11参数的状况对于天线来讲比较重要,针对上面的仿真,我们首先来查看S参数
天线的S11参数
一般天线的S11的值在-10dB以下都可以发射相应频率的信号,因此-10dB以下的频率都是天线的有效频带
S11的意义是反射功率占入射功率的比值,S11的绝对值越大,表示反射信号越小,那么在通频带内,反射功率较小,振子上面的电流比较大,因此能够发射或者接收通频带内的电磁波信号
因为电荷堆积会有电容效应,因此等效的长度一般要比半波长稍微短一点,因此中间频率是2.4G而不是我们的目标2.45Ghz
四:天线的输入阻抗
我们现在所给出的半波振子天线的输入阻抗是推导出来的 73ohm 一般天线的输入阻抗并不能精确推导,所以需要仿真软件计算或者实际测量,下图给出仿真参数
本例天线的输入阻抗
五:查看天线的远场参数
5.1: 设置球面坐标系
场分布是基于球坐标来表示的,因此首先要设置球坐标系
球面坐标系三维的设置方法是天顶角θ取值为0~360°
赤道角φ范围是0~180°
对于E面(YOZ)面,主要的变化量天顶角θ,赤道角φ为90°
对于H面(XOY)面,主要变化为赤道角φ,天顶角θ为90°
天线的远场辐射数据
5.2分析
本例子设计的是标准的2.4G半波天线,辐射体长度单个为1/4波长
E面对应3D图沿着YOZ面切开,在Z轴方向辐射较弱,最强的方向为±90°
H面对应3D图沿着XOY面切开,在所有方向辐射一致
这与我们之前分析的一致
六. 天线阻抗匹配
天线系统设计出来是要匹配到射频系统中,因此需要把天线的输入阻抗匹配到50ohm, 只有阻抗匹配,天线才能把能量输送给系统
我们设计出来的天线的输入阻抗未必是50ohm,就拿上面的例子天线的输入阻抗是73ohm,虚部是-12ohm左右
我们现在需要设计一个匹配电路,把smith图中阻抗匹配到50 ohm,因此我们需要hfss与designer联合进行
smith图中本例天线输入阻抗所在的位置
6.1 HFSS模型如何导入到designer:
答案是直接拖进去就好了
6.2 如何确定天线的输入阻抗
答案是看smith圆图,在圆图上面添加mark,把mark修改到需要看的频率
6.3 阻抗匹配的方向
阻抗匹配需要关注方向,如果匹配方向反调,就会变得很差,我们信号是从50ohm的端口传输到天线的输入阻抗,那么我们需要从50ohm出发,终点是天线的输入阻抗
6.4 匹配电路与效果比对
加阻抗匹配电路后的S11比对
可以看到添加匹配电路后,S11的值增加到-33dB,没有匹配电路的时候只有-15.5dB.
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