基于參數(shù)化仿真的天線性能改善

傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)找錯(cuò)的過程，包括建立一系列原型并反復(fù)測(cè)試其性能以獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。最近，天線設(shè)計(jì)師已經(jīng)開始將天線作為軟件原型進(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(shè)計(jì)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(fù)過程：建模設(shè)計(jì)、仿真性能、對(duì)模型進(jìn)行修改以努力改進(jìn)設(shè)計(jì)，然后再重復(fù)這一過程仿真新的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)參數(shù)，可涵蓋整個(gè)設(shè)計(jì)空間，無需通常的反復(fù)過程就能選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)。下面將要看到，這種方法可用來設(shè)計(jì)WiMAX陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)，并有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)心頻段的全頻覆蓋。

過去的十年見證了許多新的無線技術(shù)的推出，包括藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)(WLAN)、2.5G和3G蜂窩電話、射頻識(shí)別技術(shù) (RFID)、超寬帶(UWB)通信等。每一種新技術(shù)都需要天線設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)其全部潛能；單個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)采用多項(xiàng)無線技術(shù)，因此造成了更復(fù)雜的情況。現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)可能有一個(gè)或多個(gè)緊鄰的Wi-Fi、藍(lán)牙和蜂窩天線。除了正常的天線設(shè)計(jì)問題外，也形成了由天線間耦合所帶來的一系列新的復(fù)雜問題。

傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)找錯(cuò)的過程，包括建立一系列原型并反復(fù)測(cè)試其性能以獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。這種方法的最大問題是，對(duì)每個(gè)原型進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)造和測(cè)試通常需要約一個(gè)月的時(shí)間。為了滿足設(shè)計(jì)要求可能需要相當(dāng)多的反復(fù)次數(shù)，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)的反復(fù)次數(shù)就更多。這種方法的另一個(gè)問題是，它通常不可能滿足工作臺(tái)上的最終安裝環(huán)境。常常有必要在設(shè)計(jì)周期的后期進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)反復(fù)。有時(shí)候這意味著天線開發(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(cuò)過該產(chǎn)品最好的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

以下是一個(gè)采用新的天線設(shè)計(jì)方法的例子，它建模并仿真了原始概念設(shè)計(jì)，然后用變量替代關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。用戶定義每個(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(yù)測(cè)。與單獨(dú)創(chuàng)建每個(gè)設(shè)計(jì)相比，用戶僅需定義感興趣的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的時(shí)間可以被明顯縮短。

本項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)WiMAX天線陣列，并覆蓋從3.4~3.65GHz這一波段。波長(zhǎng)為 (2.998×108)/(3.4×109)=8.818mm。設(shè)計(jì)策略是采用距每個(gè)片狀天線等長(zhǎng)的中央饋電方法，從而使各個(gè)天線輻射同相。網(wǎng)絡(luò)中心通過一個(gè)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(gè)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器，它將100Ω阻抗變換為一個(gè)線段，然后再分割成兩條饋線，每條饋線對(duì)一個(gè)片狀天線元件進(jìn)行饋電。

設(shè)計(jì)過程中的第一個(gè)基本步驟是計(jì)算片狀天線的邊緣阻抗，并利用饋電網(wǎng)絡(luò)并通過變換器實(shí)現(xiàn)邊緣阻抗到50Ω饋線的反向匹配。使用一個(gè)基于公式的傳輸線計(jì)算器可完成這項(xiàng)工作，但依據(jù)基礎(chǔ)微波理論使用線路阻抗公式也能完成該該項(xiàng)工作。另一個(gè)約束就是四個(gè)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(shí)根據(jù)相對(duì)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(jì)算片狀天線的邊緣阻抗。一個(gè)很薄的半波長(zhǎng)片狀天線的校正邊長(zhǎng)為：

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

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

已知邊緣阻抗，馬上可以計(jì)算出其他阻抗和微帶帶寬。兩個(gè)100Ω片狀天線從上方連接到饋電點(diǎn)，其他兩個(gè)片狀天線從下方連接到饋電點(diǎn)。每個(gè)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(zhǎng)變換器用于連接100Ω饋線各點(diǎn)上的50Ω線段：

W70=1.96mm

L=11.9mm

下一步是要*估原始設(shè)計(jì)的性能。與其花費(fèi)時(shí)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(shí)域解算Maxwell方程。MicroStripes一次計(jì)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(nèi)捕獲系統(tǒng)的全部寬帶響應(yīng)。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(jì)算網(wǎng)格上的電(E)磁(H)場(chǎng)方法節(jié)省內(nèi)存和中央處理單元(CPU)的時(shí)間。

采用仿真程序的ACIS建模器*估原始天線設(shè)計(jì)，并依據(jù)原始形狀構(gòu)造WiMAX天線的幾何形狀。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(gè)完整的設(shè)計(jì)如圖2所示。計(jì)算域擴(kuò)大了模型最大尺寸的30%，以便在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)固定外部吸收邊界。這種仿真結(jié)果與在電波暗室中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果相同。然后，軟件自動(dòng)生成網(wǎng)格，并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀涡螤睿@彎曲區(qū)域和電介區(qū)域邊界進(jìn)行精確調(diào)整。

時(shí)域仿真的通病就是精細(xì)單元會(huì)向計(jì)算域的邊界擴(kuò)散。這大大增加了網(wǎng)格中單元的數(shù)量，導(dǎo)致大量?jī)?nèi)存消耗和很長(zhǎng)計(jì)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(yuǎn)離幾何細(xì)節(jié)的計(jì)算單元逐漸聚積起來。該軟件的多柵網(wǎng)格能力使精細(xì)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(jìn)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(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(xì)節(jié)，而不會(huì)對(duì)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(shè)計(jì)的801,600減少到71,313個(gè)，圖3中的$區(qū)域顯示了集總單元。

該仿真采用一個(gè)注入同軸天線端口的寬帶高斯脈沖激勵(lì)；通過時(shí)間步進(jìn)捕獲時(shí)間標(biāo)記。采用快速傅立葉變換(FFT)處理該響應(yīng)可以生成天線整個(gè)頻段的頻域結(jié)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(gè)單一截面顯示增益。左下角的圖表顯示了導(dǎo)體的表面電流和在片狀天線邊緣附近的平面電場(chǎng)。最后，圖表的右下角顯示了相對(duì)于頻率的天線回波損耗。該回波損耗圖表明設(shè)計(jì)只在頻帶的一小部分內(nèi)有效，而不是在整個(gè)WiMAX頻率范圍內(nèi)都滿足運(yùn)行目標(biāo)。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(yīng)，首先所做的嘗試是簡(jiǎn)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(shè)計(jì)目標(biāo)。下一步是在變換器中添加一塊區(qū)域以減少每個(gè)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(duì)多段變換器設(shè)計(jì)的公式型計(jì)算器可用來給新變換器提供初始尺寸。在仿真整個(gè)天線的原始寬帶設(shè)計(jì)中，仿真結(jié)果表明了天線在WiMAX頻段的兩個(gè)相向端點(diǎn)提供了兩個(gè)獨(dú)立的頻帶，如圖5所示。

很明顯，新型饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要更好地與當(dāng)前片狀天線設(shè)計(jì)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(gè)反復(fù)試驗(yàn)查錯(cuò)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(zhǎng)度、寬度和角度才能得到滿意的結(jié)果。這種方法比起建立和測(cè)試原型來說效率可能要高一些，但是建立每個(gè)模型并等待仿真結(jié)果仍要占用相當(dāng)多的時(shí)間。由于要考慮多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，充分探索設(shè)計(jì)空間所需的仿真次數(shù)將成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。例如，在這種反饋網(wǎng)絡(luò)中測(cè)試4個(gè)不同寬度、4個(gè)不同長(zhǎng)度和4個(gè)不同角度的所有分段共需運(yùn)行4,096次不同的仿真過程。

在本應(yīng)用實(shí)例中，利用軟件改進(jìn)了設(shè)計(jì)過程，該軟件具有允許用戶用變量替代設(shè)計(jì)參數(shù)的特點(diǎn)。用戶建模他們的概念設(shè)計(jì)，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(zhǎng)。然后該軟件產(chǎn)生能完全探索用戶定義設(shè)計(jì)領(lǐng)域所需的多次仿真反復(fù)。每次仿真的結(jié)果顯示在一個(gè)單獨(dú)的圖上，因此用戶能很快確定哪個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)值能提供最佳性能。在這種情況下，兩個(gè)不同變換器區(qū)域的長(zhǎng)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(duì)變量的每種組合產(chǎn)生一個(gè)設(shè)計(jì)，并為每個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)生頻域結(jié)果。

當(dāng)仿真運(yùn)行終止時(shí)，很容易通過*估結(jié)果比較不同設(shè)計(jì)的性能。當(dāng)最好的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jié)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6dB的最小需求值。該仿真結(jié)果還表明額外的連接到片狀天線饋線的參數(shù)化設(shè)計(jì)反復(fù)過程有可能提供進(jìn)一步的性能改善。圖8顯示在最新的設(shè)計(jì)反復(fù)中存在相當(dāng)大的旁瓣，但是在原始窄帶天線設(shè)計(jì)中不存在這種問題。一個(gè)合理地消除這些旁瓣的方法包括設(shè)備另外一個(gè)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(duì)之間的距離等變量。

這個(gè)例子證明相比傳統(tǒng)方法，通過對(duì)更多的潛在設(shè)計(jì)進(jìn)行*估，計(jì)算機(jī)仿真更有可能幫助工程師改善天線的性能。為了經(jīng)濟(jì)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(jìn)展是當(dāng)在用戶指定范圍內(nèi)改變一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)一系列仿真過程能夠自動(dòng)運(yùn)行。這一特點(diǎn)將進(jìn)一步加快設(shè)計(jì)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(luò)的尺寸。