基站天线的设计流程

简介

在过去的十年里，微波器件的自动综合功能在CAE领域的应用越来越普及。Antenna Magus把这种能力带入到了天线设计领域。Antenna Magus以简明的文档、强大的设计算法及输出模型，提供了多种多样的天线形式（如下图所示）。所有的天线都经过精确的研究，以确保每个天线都能满足您的设计需求。软件会立刻根据用户定义目标参数生成所需的天线模型。在Antenna Magus中设计的天线可以作为模型导出到AWR的Microwave Office™/AXIEM®中去分析并与电路和其它系统元件整合。所有的模型都完全的参数化，并且可以与其他项目元件一起优化。真正的实现了将天线的设计整合到了器件和系统的整体设计中。

天线综合的设计流程

强大的设计算法和输出模型允许工程师快速评估不同的天线形式，并为其当前的工作选择合适的拓扑结构。此应用文档展示了如何在设计前期利用Antenna Magus对不同的天线形式进行研究，并将符合要求的设计从Antenna Magus中导出并整合到Microwave Office/AXIEM中。

实例1：天线的预研和设计

此实例中设计了一个应用在WAN基站的天线。设计目标是应用一个基站为一个地区的多个家庭进行足够的信号覆盖。若不应用Antenna Magus，设计工程师需要从其所熟悉天线类型中选择合适的一个。应用Antenna Magus，设计工程师可查询并对多种不同的天线形式进行快速的研究、对比，当然也包含不熟悉的天线形式。Antenna Magus还包含了一个工具箱，如：空间路径损耗计算器（基于Friis公式）帮助设计者从系统指标的角度为天线设定需求。应用Antenna Magus选择合适的天线拓扑来满足工作频率、增益、带宽、阻抗、尺寸、成本等系统和天线要求。

本实例中的计算（图1）显示，如果距发射机1Km处有一增益为16dBi的接收天线，所需功率为-60dBm，发射机发射功率为5mW，若需获得足够的信号覆盖，则发射天线的增益为18dBi。为获得足够的覆盖，发射天线的方向性图要具有特定的形式—高增益的扇形波束非常理想。可应用关键词“fan beam” 和“high gain”（一般增益大于15dBi）来选择合适的天线拓扑，窗口中会立刻显示6个不同的天线形式。图2显示了4个天线的性能信息。基于上述的信息页，“linear resonant waveguide slot array” 和“resonant series-fed rectangular microstrip patch array”看起来可提供足够的增益和正确的方向性图，可对这两个天线进行进一步的研究。

图1

图2

应用Antenna Magus的信息浏览器，可以分两侧显示并对比这两个天线（图3）。对比充分展示了各天线的优缺点和性能，方便用户做出最好的选择。为了更加深入的研究天线，可一键获得并对比更详细的天线性能。波导缝隙阵的性能如图4所示。下一步即可将模型导入到Microwave Office/AXIEM进行进一步的分析和优化。

图3

图4

实例2：设计并导出天线

一般来讲，设计工程师经常会发现原始的天线设计没有足够的带宽。解决此问题的一般做法是构建一个大的天线结构，使之在整个频带谐振。但当添加其他的限制，如波束、尺寸、加工成本时，问题变得越来越复杂。在此实例中，我们再次应用Antenna Magus迎接挑战。现需要设计一个增益为6dBi，工作频率为2.4GHz—2.6GHz的天线。当在Antenna Magus查找中等带宽的天线时，软件向我们推荐了几种电磁耦合结构的天线。其中一个天线为“capacitive disc-fed rectangular patch antenna”（图5）。在此天线的信息页中，feed-disc与贴片天线的辐射边有电容耦合，在输入阻抗处加一电容元件即可有效的抵消输入端的电感效应。这允许使用较厚的介质（一般两层），这减少了有效介电常数，因此增加了贴片天线的带宽。

图5

应该注意到，若未使用Antenna Magus设计此天线将非常繁琐，必须计算正确的介电常数并利用优化算法对馈电距离进行优化。应用Antenna Magus，用户可以底层介质的厚度和所有的介质参数，几秒种内即可对天线进行设计。

使用Antenna Magus，用户可以定义底层介质的高度和所有顶层介质的参数，并且天线可以用几秒钟就设计好。

天线的性能可以很容易的进行评估，并且不同的设计结果可以在同一个图中进行比较。图6显示了当最顶层的介质属性保持恒定，底层空气介质高度从6mm增加到10mm时，两种不同设计方案的评估性能。反射系数图中清楚的显示出带宽随着底部基板厚度的增加而增加。在这一点上，工程师们可以确信天线将工作在指标范围内，并且此设计可以导出到AWR Design Environment™。导出的模型（图7）包括了电磁原理图中的所有的参数值。定义网格的设置，以确定在一个合理的时间内给出精确的结果。某些一般的图形和测量结果，例如S11随频率的变化，增益随频率的变化关系等，是预定义的。改变工程的任意参数即可运行得到相应的仿真结果。因为工程所有的参数都被定义在Microwave Office/AXIEM中，例如，如馈电的距离，可以直接在AWR设计环境模型中来编辑，来尝试得到一个更高的输入阻抗。

图6

图7

结论

Antenna Magus非常适合在设计前期对天线快速选型，评估其性能并将模型导入到Microwave Office/AXIEM，从而实现对参数的编辑和仿真，从而可以为复杂问题寻找最好的解决办法。