Antennendesign

Designverständnis von Antennensystemen (HF-Simulation, Teil 3)

| Autor / Redakteur: Christian Römelsberger * / Franz Graser

Bild 1: Gedruckte Dipolantenne mit Speisenetzwerk.
Bild 1: Gedruckte Dipolantenne mit Speisenetzwerk. (Bild: CADFEM)

Der dritte und letzte Teil der Artikelserie erläutert, wie Schaltungssimulationen, die auf den Resultaten von Feldsimulationen basieren, zum Verständnis ganzer Antennensysteme beitragen.

In den ersten beiden Teilen dieser Artikelserie wurde im Detail beschrieben, welche Unterstützung die hochfrequente elektromagnetische Feldsimulation beim Entwickeln von Antennen oder passiven RF-Komponenten bietet. Hierbei wurde ein großes Augenmerk auf die Optimierung des Designs gelegt, indem mit Hilfe parametrischer Variantenuntersuchungen das Verständnis bezüglich des Produktverhaltens erhöht wurde. Darauf aufbauend ließ sich das Design verbessern und dessen Robustheit bewerten. Dieser dritte und letzte Teil der Artikelserie erläutert, wie Schaltungssimulationen, die auf Ergebnissen der Feldsimulation aufbauen, helfen können, ein gesamtes Antennensystem oder größere Teile davon zu verstehen.

Um die Systemsimulation an einem einfachen Beispiel zu erklären, soll hier das Design einer gedruckten Dipolantenne, die aus einer Mikrostreifenleitung gespeist wird, betrachtet werden (Bild 1). Die Dipolantenne wird dabei durch ein differenzielles Signal gespeist und die Abstrahlcharakteristik ist durch die Masseebene unter dem Speisenetzwerk ein wenig gerichtet. Das Speisenetzwerk auf der anderen Seite soll das Signal einer 50-Ohm-Mikrostreifenleitung mit Hilfe einer Verzögerungsleitung in ein differenzielles Signal umwandeln, das der Fußpunktimpedanz der Dipolantenne angepasst ist.

Kopplung von Segmenten des Speisenetzwerks

Das Verhalten des Speisenetzwerks lässt sich sehr gut und effizient in einer Systemsimulation im ANSYS Electronics Desktop abbilden: Da sich das Signal entlang der Mikrostreifenleitungen als leitungsgebundene Welle ausbreitet, die sehr stark durch die Grundmode (Quasi-TEM-Mode – Transversal Elektro-Magnetisch) dominiert ist, können unterschiedliche Segmente des Speisenetzwerks über Terminals gekoppelt werden (siehe Bild 1 rechts).

Dabei wird das Übertragungsverhalten jedes Segments durch ein frequenzabhängiges S-Parametermodell beschrieben. Für Mikrostreifenleitungen lässt sich das Übertragungsverhalten analytisch beschreiben, wogegen zum Beispiel der Teiler als Ergebnis einer Feldsimulation hinterlegt ist.

Die Kopplung der Segmente erfolgt auf konservative Weise. Das heißt, dass der Strom erhalten bleibt. Denn zum einen gilt die Kirchhoff’sche Knotenregel und zum anderen fließt an jedem Port aller Strom, der durch die Terminals hereinkommt, durch den Referenzterminal auf die Erde ab.

Aufgrund der starken Reduktion der Freiheitsgrade und somit der Modellgröße lässt sich eine solche Systemsimulation in Sekunden vornehmen. Folglich ist das Speisenetzwerk sehr schnell per Hand optimierbar, indem die Länge des Extraweges eines der beiden Teilsignale verändert wird. Hier soll bei der Resonanzfrequenz die Umwandlung des Eingangssignals in eine Gleichtaktmode der Dipolantenne minimiert werden.

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Antennenabstimmung durch Feldsimulation

In weiteren Schritten wird dann die Antenne aus dem Dipol und dem Speisenetzwerk zusammengesetzt und in einer Feldsimulation nochmals abgestimmt. Das ist notwendig, um die Wechselwirkung zwischen dem Dipol und der Verzögerungsleitung auszugleichen, die durch freie Wellen hervorgerufen werden, also nicht durch die terminale Kopplung abgebildet sind.

Hierbei werden die Dipollänge und die Länge der Verzögerungsleitung als bestimmende Parameter für die Anpassung der Antenne verwendet. Die Längen werden mit einer Tuning-Funktionalität in ANSYS HFSS angepasst, die auf der Ableitung – und der damit verbundenen Taylor-Entwicklung – der S-Parameter nach den Tuning-Parametern beruht. Diese sehr effiziente Methodik basiert zum einen auf Ingenieurswissen und zum anderen auf dem Wechselspiel zwischen System- und Feldsimulation, das durch den ANSYS Electronics Desktop als integrierte Simulationsumgebung realisierbar wird.

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