利用HFSS仿真设计天线去耦网络

admin · 发表于 2019-10-9 15:49

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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。
2HFSS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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