基于HFSS的雙頻微帶天線仿真及設(shè)計(jì)文檔良心出品

1、基于HFSS的雙頻微帶天線仿真及設(shè)計(jì)隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速開(kāi)展,無(wú)線通信已經(jīng)廣泛應(yīng)用到雷達(dá)"移動(dòng)通信衛(wèi)星定位"無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)“衛(wèi)星電視等諸多領(lǐng)域！而天線那么是無(wú)線通信系統(tǒng)中信 號(hào)發(fā)射和接收的關(guān)鍵局部,它直接影響著無(wú)線通信的性.隨著移動(dòng)通信中跳頻" 擴(kuò)頻等通信技術(shù)的開(kāi)展,同時(shí)為了滿足與多個(gè)終端的通信要求,實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)共 用和收發(fā)共用等功能,這就要求天線在不同頻段下工作.因此天線的多頻段通 信技術(shù)成為現(xiàn)代無(wú)線通信領(lǐng)域迫切需要研究的問(wèn)題.微帶天線有多種饋電方式,其中同軸線饋電是一種最常用的饋電方式！同軸 線饋電是將同軸插座安裝在接地板上,本文在一種常用的2.45GHz同軸饋

2、電微帶天線的根底上,利用 HFSS三維電磁仿真軟件合理設(shè)計(jì)同軸饋電的位置及改 變輻射貼片的尺寸,使天線獲得一個(gè)新的諧振頻率,大小為 1.9GHz,且輸入 阻抗為50Q左右,并且對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析.最后根據(jù)仿真結(jié)果制作 天線實(shí)物,在實(shí)際的電磁環(huán)境下對(duì)天線的駐波比進(jìn)行測(cè)試,得到較好的效果.1 2. 45 GHz同軸饋電微帶天線參數(shù)一種常用的2. 45 GHz同軸饋電微帶天線的原理圖如圖1和圖2所示L-圖1同軸憒電微帶天線俯視圖介成某片介也常熟；參考地同軸悌線:圖2 同軸饋也微帶天線側(cè)視圖圖1中L為輻射貼片X軸長(zhǎng)度,L0= 27. 9 mm;W0為輻射貼片Y軸 長(zhǎng)度寬度,Wo = 40 mm

3、; Li為同軸饋電點(diǎn)離輻射貼片中央距離, Li = 6.6 mm. 圖2中介質(zhì)基片厚度 H = 1 . 6 mm;介質(zhì)基片介 電常數(shù)e= 4.4.2雙頻微帶天線設(shè)計(jì)在2. 45 GHz微帶天線中的輻射貼片在 X軸方 向的長(zhǎng)度為27. 9 mm 同軸線饋電點(diǎn)A點(diǎn)離輻射 貼片中央距離為6 . 6 mm.只需在此根底上分 析給 出微帶天線的輻射貼片在 Y軸方向的長(zhǎng)度和同軸 線饋電點(diǎn)B點(diǎn)的 位置,能夠使天線能夠工作于9 GHz然后過(guò)A點(diǎn)和B點(diǎn)的垂直相交點(diǎn)C點(diǎn) 即為需要找到的雙頻饋電點(diǎn).頭 軸上的A點(diǎn)為激發(fā)2. 45 GHz工作頻率的饋 電點(diǎn),其輸入阻抗為50 Q左右,由于A點(diǎn)位于輻射貼片 Y軸方向的中

4、央線 上,因此不會(huì)激發(fā) Y軸上的工作頻率.同時(shí),Y軸上 的B點(diǎn)為激發(fā)1 . 9 GHz 工作頻率的饋電點(diǎn),其輸入阻抗為 50 Q左右,由于位于輻射貼片 X方向的中心線上,因此不會(huì)激發(fā)X軸上的工作頻率.如果將饋電點(diǎn)放置于 C點(diǎn)位置,此 時(shí)天線可以同時(shí)激發(fā)X軸的工作頻率和Y軸的工作頻率,且在這兩種模式下均 能得到50 Q左右的輸入阻抗,那么此時(shí)天線就可以實(shí)現(xiàn)雙頻工作.擴(kuò)展1. 95 GHz諧振頻率后的饋電點(diǎn)C點(diǎn)位置如圖3所示*圖3擴(kuò)展1.95 GHz諧振頻率后饋電點(diǎn)位置示意圖將微帶天線的根本參數(shù)即輻射貼片的寬度介質(zhì) 基片厚度H = 1 . 6 mm, X軸長(zhǎng)度L0 = 27. 9 mm介質(zhì) 的介電

5、常數(shù) 戶4. 4,通過(guò)式15, 計(jì)算出中央 頻率為f = 1 . 9 GHz時(shí),天線輻射貼片在 Y軸方向長(zhǎng) 度的初 始值L和50 Q饋電點(diǎn)B點(diǎn)離輻射貼片中 心距離L2的初始值.L - - 2A£ 1式中,c為光速,S是有效介電常數(shù),由式2計(jì)算出；L是等效輻射縫隙 長(zhǎng)度,由式3計(jì)算出.+ 0.264AA = 0.412/("0.258) +0.8(3)將參數(shù)代入到式13中計(jì)算得到輻射貼片長(zhǎng)度L = 40 mm.(4)式中,£ + 1 £1 -1+A) 21 + 12-.L j電點(diǎn)位置 L2 = 10 mm.將L = 40 mm代入到式4 、 5中計(jì)算得到饋

6、 3雙頻天線仿真、參數(shù)優(yōu)化及性能測(cè)試前面經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算得到主要數(shù)據(jù)歸納如下介質(zhì)基片厚度H = 1. 6 mm;輻射貼片的長(zhǎng)度和 寬度為 W.= 40 mm L.= 27. 9 mm;同軸饋電點(diǎn)離輻 射貼片中央距離L1 = 6. 6 mm L2 = 10 mm;在HFS斯真中輻射邊界外表距離輻射體通常不小于1 /4個(gè)工作波長(zhǎng),在2 . 45GHz工作頻率下的1/4 個(gè)工作波 長(zhǎng)Length = 30 mm .在以上數(shù)據(jù)根底上, 通過(guò)HFSS仿真軟件進(jìn)行 天線建模和分析,驗(yàn)證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性和方案的可行性,最后給出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的各項(xiàng)參數(shù)創(chuàng)立天線初始模型如圖4所示:介演基片天我初始模型憤電點(diǎn)設(shè)置好輻射邊

7、界、邊界條件及輻射端口后,通過(guò)仿真掃頻得到的回波損耗與頻率的變化曲線如圖5所示.5塔f所死15 00-圖5XY Pbt 1 AStLUl0144 1 rae h1蝎 L .5工中= 27. 9 itiin. If j =40 mtn 時(shí) 5口 回波損耗與頻率的變化曲線由圖5中端口回波損耗Sii掃頻的結(jié)果可知,Lo= 27. 9 mm時(shí)天線 諧振頻率為2 . 45 GHz,無(wú)需優(yōu) 化,而 W0 = 40 mm時(shí)天線諧振頻率為 1. 78 GHz因此需要對(duì) Wo進(jìn)行參數(shù)掃描,分析1 . 9 GHz諧振頻 點(diǎn)與1 口 0同WOOF 53 44QC'-30 2901ml25 0015工s 15

8、W- 一 41k I§20 00-2 75 3tN 3W輸入阻抗隨頻率變化關(guān)系曲線圖7輻射貼片Y軸長(zhǎng)度的關(guān)系,通過(guò)仿真得到不同 W0對(duì)應(yīng)的Sii曲線如圖6所示.分析圖6中曲線可知,W0 = 37. 5 mm時(shí)天線的Y軸諧振頻率對(duì)應(yīng)大小為1. 89 GHz ,因此粗略估計(jì) W0 = 37. 3 mm可以滿足要求.Mg;4 d 35OoL151圖6 不同印 對(duì)應(yīng)的Sj 曲線 IfI -I用優(yōu)化后的 W0值替換原來(lái)的計(jì)算值,通過(guò)仿真生成天線輸入阻抗隨頻 率變化的關(guān)系曲線如圖7所示.從曲線中可以看出,在1 . 9 GHz工作頻點(diǎn)上,輸 入阻抗為(79. 9 j13 . 74) Q假設(shè)要將輸入

9、阻抗大小保持在50 Q左右,那么L2需要小于初始值 10 mm因此對(duì)L2進(jìn)行參數(shù)掃描,通過(guò)仿真生成1 . 9 GHz頻點(diǎn)處的輸入阻MOO60 W-000-20.00 二 7.XY Plot 4IFSSO夠iqil 金哂彳葉三i輸入詛抗與同軸線饋電點(diǎn)位直的變化關(guān)系曲線圖8根據(jù)圖8,當(dāng)L2 = 7 . 87 mm時(shí),輸入阻抗約為50 Q綜合分析上述仿真結(jié)果可知,同軸饋電微帶天線的輻射貼片尺寸 W.= 37 . 3 mm,Lo = 27. 9 mm 50Q的同軸饋電點(diǎn)位置為 Li = 66 mm L2 = 7. 87 mm這樣就設(shè)計(jì)出了 1 . 9 GHz和2 . 45 GHz雙頻工作的同軸饋電微帶

10、天線.最后使用HFSS分析給出最終設(shè)計(jì)的雙頻天線險(xiǎn)能.最終S11、掃頻分析結(jié)果如圖9所不.XY Plot 5 HFSSD«ignt 上圖9 戢終S掃頻分析結(jié)果'躬 iTs zfib ¥552 io 2 f5 3 tou 51 -1 4二K音天線在1. 9 GHz工作頻率上回波損耗為一 21.9dB,在2. 45 GHz工作頻率上回波損耗為一 26. 2 dB到達(dá)很好的性能指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了雙頻設(shè)計(jì)的初衷.S11、的Smith圓圖結(jié)果如圖10所示.Smith Chart 1圖10 S的Smilh圓圖從圖10中看出,1. 9 GHz時(shí)的歸一化阻抗為1. 02 + j019 ,

11、 2.45GHz時(shí)的歸一化阻抗為1. 07 + j0. 37,在兩個(gè)工作頻點(diǎn)上都到達(dá)了很好的nl ula I)阻抗匹配2. 45 GHz時(shí)xz截面和yz截面的增益方向圖如 圖11所示2. 45 GHz時(shí)天線的三維增益方向圖如圖12所示Radiabon Pattern 1-lad圖11 m棧面和戴面的增益方向圖I 3 7737c+0IW 二的生,口二 | HiLWfc-2.085+036T. OHM7型 -E.“旬修 -7 0,制+的-I.MTm+QBL T.篝3加融工r ,我-1-1加！圖12 天度的三維增益方向圖-1.睢各段工圖13 天線實(shí)物從表1中可以看出,制作的天線在兩個(gè)頻點(diǎn)處有較好的回?fù)軗p耗參數(shù), 根本與仿真的結(jié)果一致,駐波比參數(shù)也較