5g微带阵列天线仿真设计

要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。

评分标准： 良：带宽〈7%
优：带宽〉7%且效率大于60%
1微带辐射贴片尺寸估算
设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为：
1
21()2
r c w f ε-+=
式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质内的导波
波长，即为：
e λ=
考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：
2L L =
-∆
式中，e ε是有效介电常数，L ∆是等效辐射缝隙长度。

它们可以分别用下式计算，即为：
1
211
(112)22r r e h w
εεε-+-=
++ (0.3)(/0.264)
0.412(0.258)(/0.8)
e e w h L h
w h εε++∆=-+
2.单元的仿真
由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm 。

采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：
图1 单元模型
此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm 时，阻抗匹配最好。

另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm 。

仿真结果图如图2，图3所示。

3.50
4.00 4.50
5.00 5.50
6.00 6.50
Freq [GHz]
-30.00
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00d B (S (1,1))
HFSSDesign1
XY Plot 1
ANSOFT
m 1
m 2
m 3
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep
Name X
Y
m 1 4.9500-10.3381
m 2 5.0600-10.1725m 3
5.0000-2
6.9508
图2 S11参数
-200.00
-150.00-100.00-50.00
0.0050.00100.00150.00200.00
Theta [deg]
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
d B (G a i n T o t a l )
HFSSDesign1
XY Plot 2
Curve Info
dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'
dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'
图3 增益图
从图中可以看出谐振点为5GHz ，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB 。

2. 2×2阵列设计
设计馈电网络并组阵，模型图如图4所示。

图4 2×2微带天线阵列
图 5 S11参数
由S11参数可以看到2×2阵列天线谐振点为5GHz，且此时的S11=-19dB，说明反射损耗小，匹配良好。

相对带宽约为2.8%。

-28.00
-16.00-4.00
8.009060
30
-30
-60
-90
-120-150
-180
150
120
HFSSDesign1
Radiation Pattern 2
ANSOFT
Curve Info
dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'
dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'
图 6 方向图
由方向图可以看出2×2阵列天线的增益为13.96dB,第一副瓣电平为-10.6dB ，可知组阵能使天线的增益变高。

3. 4×4阵列天线
天线阵列如图7所示：
图7 4×4阵列天线
图8 S11参数
图9 方向图
由S11参数图可以看到谐振点在5GHz，反射损耗较小，带宽约为2%。

由方向图可以看到增益约为19.96dB，第一副瓣电平为-11.79dB。

4. 结论
本文先设计了一个非辐射边馈电的微带贴片天线，然后设计了一个2*2的阵列天线，最后设计了4*4的阵列天线。

仿真结果显示该天线的带宽约为2%，增益为19.96dB,第一副瓣电平为-11.79dB，经计算可得该天线的效率约为35.46%。