基于HFSS天線去耦仿真的設計

1、天線去耦網(wǎng)絡的意義

大多數(shù)無線系統(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較弱。但是在手機等移動終端，由于空間狹窄，天線單元之間間距很小，從而會產(chǎn)生強烈的電磁耦合。研究表明，當天線間的間距小于或等于信號波長的一半時，接收天線上所收到的信號已經(jīng)明顯受到互耦效應的影響了。當天線單元之間的間距繼續(xù)減小，這種現(xiàn)象就會變得更加明顯，從而嚴重影響無線系統(tǒng)的接收性能。因此，一個空間狹窄的無線系統(tǒng)，在其天線設計過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，在wifi頻段的天線設計中，通常要求天線隔離度大于15dB。

解決天線互耦問題的方法有很多，例如改變天線的間距和極化方式、設計去耦網(wǎng)絡、設計缺陷地結構、設計電流中和線等。這些方法都可以利用HFSS來進行仿真分析，其中利用去耦網(wǎng)絡技術來降低天線間的耦合度，天線單元的設計和去耦網(wǎng)絡的設計可以分開進行，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仿真設計天線去耦網(wǎng)絡。

2、HFSS仿真設計天線去耦網(wǎng)絡的步驟

從網(wǎng)絡分析的角度來看，去耦的實質就是使多端口網(wǎng)絡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。常見的去耦網(wǎng)絡結構如下圖所示，其去耦原理正是基于對網(wǎng)絡參數(shù)的分步分析來實現(xiàn)的。簡單來說，可以分為以下三個步驟：

第一步，由于初始天線阻抗匹配良好，而天線之間卻存在強烈的耦合。因此網(wǎng)絡D的功能是將兩個端口之間的傳輸導納從復數(shù)變?yōu)榧兲摂?shù)。

第二步，引入并聯(lián)電抗來抵消上述的純虛數(shù)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)絡使得天線達到阻抗匹配。

HFSS不僅可以準確仿真天線的遠場輻射特性，在去耦網(wǎng)絡、匹配網(wǎng)絡的EM仿真運用上也便利。下面舉一個簡單的實例。

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，中心頻點處僅3dB。

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

3、再搭建匹配網(wǎng)絡，并仿真，隔離度和駐波都滿足要求。