WLAN双频微带天线HFSS设计_HFSS_通信-仿真秀干货文章

WLAN双频微带天线HFSS设计

王野 | 320科技工作室 | HFSS电磁仿真

一、设计指标与两种天线方案

WLAN通信需覆盖2.4GHz、5.2GHz与5.8GHz三个免授权频段，作为系统关键部件的天线须在双频段内兼顾宽频带、小尺寸与高增益。本文基于Ansoft高频结构仿真器HFSS，设计两种双频微带天线：其一为微带线馈电的宽带双频印刷单极子天线，辐射单元由两个矩形贴片与T形折叠贴片组成，尺寸仅16mm×29mm；其二为同轴馈电的方形贴片天线，通过在贴片两缘开阶梯槽、内部开折叠槽实现双频工作，尺寸25mm×25mm。两种天线均采用低成本的FR4介质基板（相对介电常数4.4、厚度1.6mm）。

二、宽带双频印刷单极子天线设计

天线1通过镜像原理引入接地板，将半波振子长度减半，等效为单极子的四分之一波长，谐振频率由 f=c/(4L√εr) 决定。采用50Ω微带线馈电，辐射单元的两个矩形贴片（长L2、宽L3）与T形折叠贴片（竖直段L4、水平段L5、折叠段L6）共同作用。通过HFSS扫描各参数：增大L2使2.4GHz谐振点左移、高频谐振点显著下降；L3主要影响匹配与带宽；L4、L5、L6增大时低频谐振点下降而高频基本不变。经优化后整体尺寸16mm×29mm×1.6mm，天线工作在2.4~2.52GHz与4.5~7.5GHz，阻抗带宽分别达120MHz与3GHz，覆盖2.4/5.2/5.8GHz三个WLAN频点，三个频段最大辐射方向增益分别为4.4dB、4.1dB与5dB。

三、双频微带贴片天线的开槽与改进

天线2为边长25mm方形贴片，采用50Ω同轴馈电，馈点距贴片中心xp。开槽是实现双频与小尺寸的关键：先在贴片两缘开1mm宽矩形槽，得到2.6GHz、5.45GHz、6.08GHz三个谐振点，仍不在目标频段；调整为阶梯槽后谐振点为2.44GHz、5.24GHz、6.2GHz，但第三个无用谐振点（6.2GHz）仍会干扰正常使用。为消除第三频点，在阶梯槽基础上增开一对对称折叠槽：水平段L2=8mm、折叠段L3=7mm、竖直段W2=4.5mm。改进后天线仅剩2.43GHz与5.2GHz两个谐振点，回波损耗低于-10dB的带宽为60MHz（2.4~2.46GHz）与240MHz（5.16~5.4GHz），两频段驻波比均小于2，工作频段增益大于0、大部分频段达4dB，实现25mm×25mm的小型化双频天线。

来源：320科技工作室

转子定子间隙流ANSYS-CFX仿真

关键词：转子-定子系统 | ANSYS-CFX | SAS-SST | 涡结构 | 间隙流一、研究背景转子-定子系统广泛存在于风机、压缩机和流体机械中，其间隙流动特性在变转速工况下会发生显著变化，直接影响系统稳定性和气动性能。Zhao Z.等人（Applied Sciences, 2021）采用ANSYS-CFX对经典圆柱进气转子-定子系统腔体进行了数值仿真，并与风阻转矩试验结果进行了对比验证。研究采用SAS-SST湍流模型（RANS-LES混合方法），通过改变转速（ReΦ=2.12×10^6至4.23×10^6）系统分析了转子壁面剪切应力、雷诺应力、涡结构和转矩系数的变化规律。二、仿真方法研究采用ANSYS-CFX求解转子-定子系统三维流场，以空气为工作介质，入口施加质量流量和5%湍流强度，出口设为开口条件。湍流模型选择SAS-SST模型，该模型在 SST k-ω基础上引入 von Kármán长度尺度，可根据局部流动结构动态调整模型行为，在稳定流区保持RANS性能、在不稳定流区具备类似LES的分辨率。网格采用结构化六面体网格，转子和定子壁面第一层网格高度为0.005mm，y+值小于5以精确捕获粘性子层流动。网格数量由网格收敛指数GCI验证，最终选择594万单元。非定常计算时间步长确保均方根Courant数低于5，取最后两个旋转周期的平均值作为结果。与试验对比，SAS-SST模型相对误差仅3.3%，优于SST k-ω模型的4.9%。三、结果分析数值仿真结果表明，随着旋转雷诺数ReΦ增大，转子壁面剪切应力逐渐增大，最大梯度区域位于无量纲长度 l*<0.15范围内。除剪切应力外，切向雷诺应力Rrθ对转子壁面转矩亦有部分贡献。转子-定子系统腔体内由引射形成的旋涡在ReΦ=3.53×10^6时趋于分离；随着旋转雷诺数继续增大，二次涡最终完全分离。转子湍流边界层内涡旋强度随转速增大而降低，但涡核数量随转速增大而增加，表明高转速下涡结构更加碎化。研究强调，根据流体机械应用场景，将转速控制在合理范围内可有效改善间隙流动特性，提升整机效率和稳定性。来源：320科技工作室