基于参数化仿真的WiMAX阵列的馈电网络设计

传统的天线设计是一个反复试验找错的过程，包括建立一系列原型并反复测试其性能以获得最优化的设计。最近，天线设计师已经开始将天线作为软件原型进行仿真，只需建立物理原型所用时间的一小部分就可完成备选设计的分析。但是，通常这种方法仍然要遵循以前的物理原型建立过程中使用的反复过程：建模设计、仿真性能、对模型进行修改以努力改进设计，然后再重复这一过程仿真新的设计。有几家公司已经采用了新的方法。新方法只需一次分析就能全面*估各种设计参数，可涵盖整个设计空间，无需通常的反复过程就能选出最优的设计。下面将要看到，这种方法可用来设计WiMAX阵列的馈电网络，并有助于实现对所关心频段的全频覆盖。

过去的十年见证了许多新的无线技术的推出，包括蓝牙、无线局域网（WLAN）、2.5G和3G蜂窝电话、射频识别技术 （RFID）、超宽带（UWB）通信等。每一种新技术都需要天线设计方面的创新以实现其全部潜能；单个系统经常会采用多项无线技术，因此造成了更复杂的情况。现代个人计算机（PC）可能有一个或多个紧邻的Wi-Fi、蓝牙和蜂窝天线。除了正常的天线设计问题外，也形成了由天线间耦合所带来的一系列新的复杂问题。

传统的天线设计是一个反复试验找错的过程，包括建立一系列原型并反复测试其性能以获得最优化的设计。这种方法的最大问题是，对每个原型进行设计、构造和测试通常需要约一个月的时间。为了满足设计要求可能需要相当多的反复次数，达到最优设计的反复次数就更多。这种方法的另一个问题是，它通常不可能满足工作台上的最终安装环境。常常有必要在设计周期的后期进行额外的设计反复。有时候这意味着天线开发可能会阻碍产品投放市场，且存在潜在的巨大收入亏损，甚至在最坏情况下错过该产品最好的市场机会。

以下是一个采用新的天线设计方法的例子，它建模并仿真了原始概念设计，然后用变量替代关键设计参数。用户定义每个变量的范围，仿真引擎为每个可能的变量组合创建模型和性能预测。与单独创建每个设计相比，用户仅需定义感兴趣的设计空间，并从由参数仿真过程创建的可选方案中选择最好的设计，因此优化设计所需的时间可以被明显缩短。

本项目的目标是设计一个WiMAX天线阵列，并覆盖从3.4~3.65GHz这一波段。波长为 （2.998×108）/（3.4×109）=8.818mm。设计策略是采用距每个片状天线等长的中央馈电方法，从而使各个天线辐射同相。网络中心通过一个50Ω同轴探针获得馈电，并连接到100Ω馈线的中心。馈线的每一端终止于一个四分之一波长阻抗变换器，它将100Ω阻抗变换为一个线段，然后再分割成两条馈线，每条馈线对一个片状天线元件进行馈电。

设计过程中的第一个基本步骤是计算片状天线的边缘阻抗，并利用馈电网络并通过变换器实现边缘阻抗到50Ω馈线的反向匹配。使用一个基于公式的传输线计算器可完成这项工作，但依据基础微波理论使用线路阻抗公式也能完成该该项工作。另一个约束就是四个辐射片状天线之间必须充分隔离以免相互干扰。

衬底厚度为1.6mm，同时根据相对介电常数（εr）为3.58来选择衬底材料。下一步是使用近似公式来计算片状天线的边缘阻抗。一个很薄的半波长片状天线的校正边长为：

所有线迹阻抗必须与同轴探针馈电匹配，因此不需对天线元件进行嵌入馈电。假设片状天线宽为25mm，可根据长度（L）和宽度（W）计算近似的边缘阻抗：

可以用一个简单的RF计算器计算目标基板上100Ω馈线的宽度：W100=0.852mm。

已知边缘阻抗，马上可以计算出其他阻抗和微带带宽。两个100Ω片状天线从上方连接到馈电点，其他两个片状天线从下方连接到馈电点。每个连接线段的阻抗 （Z）必须满足Z=100/2=50Ω，50Ω微带带宽为：50=3.497mm。此外，四分之一波长变换器用于连接100Ω馈线各点上的50Ω线段：

W70=1.96mm

L=11.9mm

下一步是要*估原始设计的性能。与其花费时间建立原型，不如采用Flomerics公司的MicroStripes软件将天线仿真成软件原型。该软件包使用传输线路矩阵（TLM）方法在时域解算Maxwell方程。MicroStripes一次计算就能解算所有感兴趣的频率，因此可以在一个仿真周期内捕获系统的全部宽带响应。TLM方法创建了等效传输线矩阵，并直接解算这些线上的电压和电流。这种方法要比求解传统计算网格上的电（E）磁（H）场方法节省内存和中央处理单元（CPU）的时间。