基于HFSS的双频微带天线仿真及设计

基于HFSS的双频微带天线仿真及设计

随着无线通信技术的快速发展，无线通信已经广泛应用到雷达"移动通信"卫星定位"无线局域网络"卫星电视等诸多领域!而天线则是无线通信系统中信号发射和接收的关键部分，它直接影响着无线通信的性。随着移动通信中跳频"扩频等通信技术的发展，同时为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。因此天线的多频段通信技术成为现代无线通信领域迫切需要研究的问题。

微带天线有多种馈电方式，其中同轴线馈电是一种最常用的馈电方式!同轴线馈电是将同轴插座安装在接地板上，本文在一种常用的2.45GHz同轴馈电微带天线的基础上，利用HFSS三维电磁仿真软件合理设计同轴馈电的位置及改变辐射贴片的尺寸，使天线获得一个新的谐振频率，大小为 1.9GHz，且输入阻抗为50Ω左右，并且对仿真结果进行了详细的分析。最后根据仿真结果制作天线实物，在实际的电磁环境下对天线的驻波比进行测试，得到较好的效果。

1 2. 45 GHz同轴馈电微带天线参数

一种常用的2. 45 GHz同轴馈电微带天线的原理图如图1和图2所示

图1 中L0为辐射贴片X轴长度，L0= 27．9 mm; W0为辐射贴片Y 轴长度宽度，W0= 40 mm; L1为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L1 = 6.6 mm。图 2 中介质基片厚度H = 1． 6 mm; 介质基片介电常数ε = 4.4。

2双频微带天线设计

在 2． 45 GHz 微带天线中的辐射贴片在 X 轴方向的长度为 27． 9 mm，同轴线馈电点( A 点) 离辐射贴片中心距离为 6． 6 mm。只需在此基础上分析给出微带天线的辐射贴片在Y轴方向的长度和同轴线馈电点 ( B 点) 的位置，能够使天线能够工作于9 GHz，然后过 A 点和 B 点的垂直相交点( C 点) 即为需要找到的双频馈电点。X轴上的 A 点为激发2． 45 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为 50 Ω左右，由于 A 点位于辐射贴片Y轴方向的中心线上，因此不会激发Y轴上的工作频率。同时，Y轴上的 B 点为激发 1． 9 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为50 Ω左右，由于位于辐射贴片X方向的中心线上，因此不会激发X轴上的工作频率。如果将馈电点放置于C点位置，此时天线可以同时激发X轴的工作频率和Y轴的工作频率，且在这两种模式下均能得到50 Ω左右的输入阻抗，那么此时天线就可以实现双频工作。

扩展1. 95 GHz谐振频率后的馈电点(C点)位置如图3所示。

图3扩展1. 95 GHz谐振频率后

馈电点位置示意图

将微带天线的基本参数即辐射贴片的宽度介质基片厚度H = 1． 6 mm，X轴长度L0= 27． 9 mm，介质的介电常数ε= 4． 4，通过式( 1) ～ ( 5) ，计算出中心频率为f = 1． 9 GHz 时，天线辐射贴片在Y轴方向长度的初始值L和 50 Ω馈电点( B 点) 离辐射贴片中心距离L2的初始值。

式中，c为光速，δ是有效介电常数，由式( 2) 计算出；L 是等效辐射缝隙长度，由式(3)计算出。

将参数代入到式( 1) ～ ( 3) 中计算得到辐射贴片长度L = 40 mm。

将L = 40 mm 代入到式( 4) 、( 5) 中计算得到馈电点位置L2 = 10 mm。

3 双频天线仿真、参数优化及性能测试

前面经过分析和计算得到主要数据归纳如下。

介质基片厚度H= 1．6 mm; 辐射贴片的长度和宽度为W0= 40 mm，L0 = 27．9 mm; 同轴馈电点离辐射贴片中心距离L1 = 6．6 mm，L2 = 10 mm; 在

HFSS仿真中辐射边界表面距离辐射体通常不小于 1 /4 个工作波长，在 2．45 GHz 工作频率下的 1 /4 个工作波长 Length = 30 mm。在以上数据基础上，通过 HFSS 仿真软件进行天线建模和分析，验证各项参数的准确性和方案的可行性，最后给出经过优化的各项参数。

创建天线初始模型如图 4 所示:

设置好辐射边界、边界条件及辐射端口后，通过仿真扫频得到的回波损耗与频率的变化曲线如图 5所示。

由图 5 中端口回波损耗S11扫频的结果可知，L0= 27． 9 mm 时天线谐振频率为 2． 45 GHz，无需优化，而W0 = 40 mm 时天线谐振频率为1． 78 GHz。因此需要对W0进行参数扫描，分析 1． 9 GHz 谐振频点与

辐射贴片 Y 轴长度的关系，通过仿真得到不同W0对应的S11曲线如图6所示。分析图 6 中曲线可知，W0 = 37． 5 mm 时天线的Y 轴谐振频率对应大小为1． 89 GHz，因此粗略估计W0= 37． 3 mm可以满足要求。

用优化后的W0值替换原来的计算值，通过仿真生成天线输入阻抗随频率变化的关系曲线如图 7所示。

从曲线中可以看出，在 1． 9 GHz 工作频点上，输入阻抗为( 79． 9 －j13． 74) Ω。若要将输入阻抗大小保持在 50 Ω左右，则L2需要小于初始值10 mm。因此对L2进行参数扫描，通过仿真生成 1． 9 GHz 频点处的输入阻抗与同轴线馈电点位置的变化关系曲线如图 8 所示。

根据图 8，当L2 = 7． 87 mm 时，输入阻抗约为50 Ω。综合分析上述仿真结果可知，同轴馈电微带天线的辐射贴片尺寸W0 = 37． 3 mm，L0= 27． 9 mm，50Ω 的同轴馈电点位置为L1= 6． 6 mm，L2= 7． 87 mm，这样就设计出了 1． 9 GHz 和 2． 45 GHz 双频工作的同轴馈电微带天线。

最后使用HFSS分析给出最终设计的双频天线险能。最终S11、扫频分析结果如图9所示。

天线在1. 9 GHz工作频率上回波损耗为一21.9dB，在2. 45 GHz工作频率上回波损耗为一26. 2 dB达到很好的性能指标，实现了双频设计的初衷。

S11、的Smith圆图结果如图10所示。