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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，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)很薄的半波長片狀天線的校正邊長為：
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)長度(L)和寬度(W)計(jì)算近似的邊緣阻抗：
可以用一個(gè)簡單的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)場方法節(jié)省內(nèi)存和中央處理單元(CPU)的時(shí)間。
