宽频带双层微带天线

采用ANFSOFT HFSS对宽频带双层微带天线设计与仿真

石磊

北京理工大学微波通讯实验室 100081

摘要：天线作为通讯试验箱前段的重要组成部分，他承担着发射信号和接收的回波信号的任务。微带天线由于其本身的特点（如结构简单、低刨面、小型化、可以与飞行器表面共形安装而不影响飞行器的空气动力性能和占用飞行器内仓空间，天线可以与微带电路集成在一起，工业制造简单，价格低廉等优点）而得到了广泛的应用。但是对于微带天线来说，最严重的缺陷是单个贴片天的带宽太窄，与阵子天线、缝隙天线、波导开口喇叭天线等工作带宽一般在15%----50%相比，微带单贴片的天线带宽只能有百分之几。因此，最近微带天线大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。

关键字：双层微带天线 ，ANSOFT HFSS， 宽频带

1．天线形式的选择

选择双层微带天线原因

a.作为微带天线，它具有微带天线体积小、轻便易于集成和便于批量生产等特点。

b.根据设计要求的指标，采取了具有较宽的带宽的双层微带天线的结构。

2．天线的技术指标

由于天线作为两个近距离试验箱体上的辐射器，所以对其性能指标的要求不慎严格：

* 工作频率：2.2G

* 驻波比<1.5（带内）

*相对带宽>10%

* 极化：线极化

* 体积不能过大

3．天线结构的分析

微带天线的频带可以从以下三个方面的带宽来描述：阻带带宽、方向图带宽和极化带宽。一般来说阻带带宽是天线带宽的主要因素。通过对微带天线的分析知道，要展宽微带天线的的频带，可以采取以下几种方法：1）增加微代介质的厚度；2）降低微代介质的介电常数；3）采用有耗介质；4）对馈点电路采用宽带阻抗匹配（如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈点）；5）采用对贴片谐振。前三种办法的效果比较小，而且第三种方法是以天线增益的降低为代价的；第四种方法需要设计宽带匹配电路，但电路结构复杂，制作难度大，因此我们采用第五种方法。该方法是利用多贴片耦合的方式，使每个贴片天线的谐振中心频率各不相同，而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽，如图1所示就像电路中采用的多级放大器展宽频带的方法类似。每个贴片均采用矩形结

幅

度

图1 微带天线的多级谐振占宽频带

构，根据矩形天线的理论，单个矩形微带贴片天线的长度近似为1/2个波导波长，因此，单个贴片的谐振中心频率可以按：

r

d

b

c

q

c

f ε

ε

λγ

2==

1

估算，其中，c 是光速，q 是等效介电常数因子，b 是贴片的长度。

上层贴片 填充介质 下层贴片 填充介质 接地板

同轴探针接头

容性贴片 微带基片 微带基片 根据各贴片的耦合方式的不同，有两种结构形式：平行耦合和层叠耦合。本方案主要采取后者，即层叠耦合的方式进行馈合。层叠耦合结构由上下两层或多层贴片，中间隔有空气层构成，如图2所示，其中下面的贴片馈电，上面的贴片为无源耦合贴片。通过调每个贴片谐振长度调整个贴片的谐振频率，通过调整上下贴片中间的空气缝隙宽度来调整上下贴片间相互耦合量的大小，从而实现宽频带。层叠耦合结构微带天线调整参量较少，只有空气层和介质层厚度以及贴片尺度等参量，调试相对简单。

图2 改进型宽带多层微带天线结构图

4．CAD 仿真

由于自己编制积分方程法计算软件耗时耗力，且分析结果不太理想，这给此类复杂结构的天线的设计带来了很大的不便。目前一些微波专业软件公司推出了自己的产品，如Ansoft 公司的HFSS、Agilent 公司的ADS、AWR 公司的Microwave Office、CST 公司的Microwave Studio 等。在这些软件中， HFSS 把重点放在复杂结构的电磁问题分析方面，这使得在分析设计此类复杂结构的天线时HFSS 可以起到非常大的作用。

美国ANSOFT 公司从1990年开始发布了基于有限元法（FEM）仿真复杂三维结构电磁场的通用软件工具HFSS（High Frequency Structure Simulator）。它采用有限元作为数值计算方法。有限元法（FEM）是一种数值计算方法，其基本思想是将整个求解空间划分为许多小区域，用局部函数表示每个子区域的场，每个子区域的场通过节点相关联，整个场区域由子域节点组成网络，通过一定的激励和约束条件（如电磁场问题须满足Maxwell 方程组）求解网格上每个节点的场分布，从而得到整个问题的全波解。有限元法求解问题的精度取决于网格的疏密程度和网格的剖分质量。

HFSS 是一个能够计算任意形状3D 无源结构S 参数和全波场的交互式软件包。该软件不仅可以求解内场问题（包括各向异性材料），还可以求解外场辐射问题，具有适合宽带仿真需要的快速扫频功能。

该软件允许使用者建立任意形状的电磁场问题三维几何模型，这就避免了建模不精确而导致计算结果误差。它采用自适应网格划分、切向矢量有限元算法和自适应扫频等先进技术不断提高有限元法的求解速度和精度。。它的自适应网格剖分和根据收敛判据进行自适应解算的技术使得有限元法更便于使用。初始网格剖分可以迅速提供场解的信息，如场强、场的变化梯度，自适应网格剖分根据这组信息将网格剖分限制在高的场强和场变化梯度最大的地方，在保证同等计算精度的条件下节省了计算资源，使用者还可以使用人工网格剖分在需要的区域进行网格加密。

另外，HFSS 将端口问题作为二维电磁场有限元处理。端口上的网格是二维三角形单元，每个单元均是实体内部的四面体单元在端口上的一个面，通过对端口的二维有限元分析，给出端口截面的本征模式。HFSS 假设每个端口与一个相同截面的一致性波导（传输线、同轴线）相连，激励场就是与端口相连的沿着波导（传输线、同轴线）传输的TEM 波。这样的激励模型要比将馈电探针看作无限细的激励模型[66]精确地多。

正因为HFSS 具备以上的优点，使得设计者可以更加灵活地设计分析复杂结构的天线并获得精确的仿真结果，避免了由于分析方法不准确导致的重复实验过程，所以，在分析复杂结构的天线时，采用HFSS 进行仿真分析是一个高效准确的途径。下一节将讨论如何应用HFSS 来分析宽带多层重叠微带天线的问题 1） 建立几何模型

在HFSS 中，必须对分析的对象建立准确的几何模型。软件提供了点、线、面等构建模型的基本元素，如直线、曲线、矩形、圆形、多边形、立方体、圆柱体、多面体等。利用这些基本的元素可以建立宽带多层微带天线的几何模型，如下图3所示。

双层微代天线共有五层组成：