基于HFSS天线去耦仿真的设计

电子工程师 2017-11-22 4360

RF/无线

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描述

1、天线去耦网络的意义

大多数无线系统天线单元的都尽可能的松散排布，其相互之间的间隔足够大，因此天线间的互耦效应较弱。但是在手机等移动终端，由于空间狭窄，天线单元之间间距很小，从而会产生强烈的电磁耦合。研究表明，当天线间的间距小于或等于信号波长的一半时，接收天线上所收到的信号已经明显受到互耦效应的影响了。当天线单元之间的间距继续减小，这种现象就会变得更加明显，从而严重影响无线系统的接收性能。因此，一个空间狭窄的无线系统，在其天线设计过程中就必须考虑尽可能好的处理天线间的互耦。在工程中，一般用隔离度表征天线间的互耦效应，在wifi频段的天线设计中，通常要求天线隔离度大于15dB。

解决天线互耦问题的方法有很多，例如改变天线的间距和极化方式、设计去耦网络、设计缺陷地结构、设计电流中和线等。这些方法都可以利用HFSS来进行仿真分析，其中利用去耦网络技术来降低天线间的耦合度，天线单元的设计和去耦网络的设计可以分开进行，避免了联合仿真优化设计的复杂性，因此这里先介绍如何使用HFSS仿真设计天线去耦网络。

2、HFSS仿真设计天线去耦网络的步骤

从网络分析的角度来看，去耦的实质就是使多端口网络的阻抗矩阵的互阻抗趋向于零，或者使散射矩阵的反向传输系数趋向于零。常见的去耦网络结构如下图所示，其去耦原理正是基于对网络参数的分步分析来实现的。简单来说，可以分为以下三个步骤：

第一步，由于初始天线阻抗匹配良好，而天线之间却存在强烈的耦合。因此网络D的功能是将两个端口之间的传输导纳从复数变为纯虚数。

第二步，引入并联电抗来抵消上述的纯虚数传输导纳，使得传输导纳的取值为零，这样便达到了去耦的目的。

第三步，由于去耦网络的引入，从端口看去天线的阻抗失配，因此，再外加匹配网络使得天线达到阻抗匹配。

HFSS不仅可以准确仿真天线的远场辐射特性，在去耦网络、匹配网络的EM仿真运用上也便利。下面举一个简单的实例。

1、两根相距很近的wifi频段单极子天线（2.4-2.5GHz），仿真隔离度很差，中心频点处仅3dB。

2、利用lumped RLC边界条件，建立去耦网络D，再次仿真，隔离度提升明显，但天线谐振点发生了偏移。

3、再搭建匹配网络，并仿真，隔离度和驻波都满足要求。

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