基于hfss的雙頻帶分形天線設(shè)計(jì)

基于hfss的雙頻帶分形天線設(shè)計(jì)

1.天線的選擇及應(yīng)用隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，通信端點(diǎn)（手機(jī)等）能夠提供給用戶帶來(lái)越來(lái)越多的功能，語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻、互聯(lián)網(wǎng)、全球定位等功能變得越來(lái)越重要。服務(wù)功能的增加需要設(shè)備能夠工作得越來(lái)越多。另一方面，移動(dòng)通信的一代一代已經(jīng)結(jié)束，信號(hào)頻率從0.9ghz、1.8ghz、2.5ghz和3.4ghz逐漸增加。考慮新的設(shè)備與舊有系統(tǒng)的兼容,有時(shí)也需要設(shè)備工作于多個(gè)頻段。采用擴(kuò)展頻譜方式的無(wú)線局域網(wǎng)一般選擇的都是ISM(Industrial、Scientific、Medical)頻段,許多工業(yè)、科研和醫(yī)療設(shè)備的發(fā)射頻率均集中于該頻段。例如美國(guó)ISM頻段由902～928MHz、2.4～2.48GHz、5.725～5.850GHz三個(gè)頻段組成。實(shí)際應(yīng)用的需要,使得多頻/寬頻天線的研究日益得到重視。分形天線具有小型化和多頻特征,并且適當(dāng)修改整體或局部尺寸,可以很方便地調(diào)整工作頻率。因此,特別適合于當(dāng)前寬帶、超寬帶通信領(lǐng)域。所謂分形天線,是指幾何屬性上有分形特征的天線。分形的重要性質(zhì)之一是其具有形狀上的自相似特性。其局部與整體、局部與局部都存在這種自相似性。利用這一基本性質(zhì)制作分形天線,具有多頻段輻射特性。另一方面,基于左右手復(fù)合傳輸線理論而設(shè)計(jì)的零階諧振式天線(ZORA)(Zeroth-OrderResonatorAntennas),近年來(lái)也廣泛引起了人們的興趣,出現(xiàn)了不少研究成果,ZORA的諧振頻率與天線的總尺寸無(wú)關(guān),而只與單個(gè)諧振單元的尺寸有關(guān),在級(jí)數(shù)為2的情況下,ZORA的諧振頻率比同樣尺寸的普通貼片式天線要低一半左右。本文在傳統(tǒng)Serpinski毯式分形貼片天線的基礎(chǔ)上,加上兩個(gè)短路過孔,使之形成一個(gè)具有分形結(jié)構(gòu)的ZORA,從而可以產(chǎn)生出更多的工作頻段,并減小天線的尺寸。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明:天線工作頻段比傳統(tǒng)分形天線多,并且在保持天線的體積不變的情況下,大大降低了天線的第一頻點(diǎn)。另外,仿真結(jié)果還表明:加短路過孔以后,天線的相對(duì)帶寬也較原來(lái)寬。2.理論分析2.1天線結(jié)構(gòu)和等效電路2.1.1階迭代結(jié)構(gòu)Sierpinski毯的生成過程如圖1所示,0階迭代為一個(gè)正方形,把此正方形等分為9個(gè)小正方形,并挖去正中間的一個(gè),就成為1階迭代結(jié)構(gòu),在一階基礎(chǔ)上,把剩余的8個(gè)小正方形的每一個(gè)再等分為9個(gè)更小的正方形,并挖去正中間的一個(gè),于是得到2階分形結(jié)構(gòu),依此類推,可得更高階的分形。用分形地毯作為微帶線,即可形成Serpinski毯式分形微帶天線。分形貼片天線可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于0階分形天線即普通貼片天線的輻射頻率,同時(shí)可以產(chǎn)生若干較高頻率的輻射,從而實(shí)現(xiàn)多頻段天線。2.1.2短路膠片天線的等效電路貼片的尺寸是貼片天線的重要指標(biāo),為了減小天線的尺寸,可以在貼片天線上加上金屬接地的過孔,使貼片與地短路,形成所謂零階諧振式天線ZORA(Zeroth-OrderResonatorAntennas),短路以后,貼片天線的輻射頻率可以降低到大約原來(lái)貼片天線的一半左右。與此同時(shí),貼片天線原來(lái)的輻射諧振頻率點(diǎn)仍然是存在的,只不過頻率點(diǎn)略有變化。短路貼片天線的工作原理可以用傳輸線理論來(lái)解釋。如圖2(a)所示,在貼片天線上加上兩個(gè)金屬過孔,使貼片與地板短路,則天線的等效電路如圖2(b)。圖2(a)中有兩個(gè)過孔,以左邊的過孔為分界,將貼片分成左右兩部分,分別對(duì)應(yīng)圖2(b)中的左右虛線框。圖2(b)中LP1,LP2為貼片的電感,CP1、CP2為貼片與地面之間的電容,LV1、LV2是金屬過孔的電感。圖2(b)中每個(gè)虛線框構(gòu)成一個(gè)諧振器,以左邊的為例,其傳輸系數(shù)的模可以表示為H(ω)=∣∣LV1LV1+LP1?ω2LV1LP1CP1∣∣(1)Η(ω)=|LV1LV1+LΡ1-ω2LV1LΡ1CΡ1|(1)令H(ω)的分母為0,可以得諧振頻率為ω=(LV1+LP1)/LV1LP1CP1????????????????????√(2)ω=(LV1+LΡ1)/LV1LΡ1CΡ1(2)調(diào)整過孔的位置可以改變LP1,LP2、CP1、CP2,調(diào)整過孔的直徑可以改變LV1、LV2.當(dāng)兩個(gè)諧振器具有共同諧振頻率時(shí),此頻率即為天線的輻射頻率點(diǎn)。2.1.3天線的尺寸如前所述,分形天線可以產(chǎn)生多個(gè)輻射頻率,而將貼片短路又可以另外產(chǎn)生出低于原始貼片的輻射頻率,所以可以設(shè)想在分形貼片天線上加短路過孔,便可以產(chǎn)生出更多的頻段,并減小天線的尺寸。加短路過孔的Sierpinski毯式分形貼片天線如圖3所示。圖3中的天線,采用的基板介電常數(shù)2.2,損耗正切0.0009,基板尺寸為89.8mm×99.6mm×2mm,貼片尺寸39.6mm×39.6mm,饋線寬度6mm,長(zhǎng)度20.2mm,位于分形貼片天線正中間,過孔在縱向位于貼片正中,即與貼片下邊緣距離為19.8mm,左邊過孔與貼片左邊緣相距12.6mm,右邊過孔與貼片右邊緣相距0.6mm,過孔直徑0.3mm。2.2模擬結(jié)果用HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真,得到如下結(jié)果。2.2.1創(chuàng)建不同粒徑z仿真可得到天線的S11曲線如圖4所示。由圖4可以看出:未加過孔的天線,S11在-10dB以下的點(diǎn)有4個(gè),分別在2.5GHz、6.4GHz、11.6GHz、12.4GHz。而有過孔的分形天線,輻射頻段有6個(gè),中心點(diǎn)分別為1.08GHz、2.7GHz、5.4GHz、7.4GHz、9.8GHz、11.2GHz.特別是在未增加天線尺寸的情況下,天線的第一頻點(diǎn)由2.5GHz降低到了1.08GHz。2.2.2頻帶寬各個(gè)頻率段的帶寬見表12.2.3各頻率點(diǎn)的放大和方向圖仿真可得各個(gè)頻率點(diǎn)方向圖見圖5,各個(gè)頻率點(diǎn)的增益見表1。2.2.4過孔左移與第一頻點(diǎn)的關(guān)系利用HFSS仿真軟件對(duì)過孔位置及直徑進(jìn)行優(yōu)化,可得如下結(jié)果:①過孔左移在圖3中,如果將過孔左移(兩孔同時(shí)移動(dòng)),則第一頻點(diǎn)會(huì)有所升高,如果移動(dòng)得太多,則第1頻點(diǎn)消失。以圖3中的位置為基準(zhǔn),過孔左移的長(zhǎng)度ΔX與第一頻點(diǎn)的關(guān)系見表2。這是因?yàn)楦鶕?jù)式(2),過孔左移將使LP1和CP1變小,ω變大。如過移動(dòng)太多,將使第一頻點(diǎn)消失。②過孔上下移動(dòng)在圖3,如果將過孔上下移動(dòng),則頻率點(diǎn)基本不變,但增益會(huì)惡化。③過孔的直徑變化過孔的直徑與其自身電感有關(guān),直徑大則電感LV小,另一方面,過孔本身具有電容效應(yīng),直徑大則電容效應(yīng)明顯,過孔直徑與第一頻點(diǎn)的關(guān)系見表3。2.2.5階分形天線增益對(duì)二階分形的天線再加過孔做仿真研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在14GHz以下,天線輻射頻段與前述的一階分形差不多,但二階分形天線增益較一階小,二階分形將在14GHz以上產(chǎn)生輻射頻段。3.天線的輻射特性按照?qǐng)D3的尺寸,實(shí)際制作了天線,并用安捷倫公司網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A測(cè)試了S11參數(shù),結(jié)果如圖4,由圖4可以看出,天線的輻射頻段與仿真結(jié)果基本相符,特別是可以清楚看出天線的第一輻射頻