1、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 HF
2、SS 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 50 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，L 0 = 279 mm; W0 为辐射贴片 Y 轴长度宽度，W 0 = 40 mm; L1 为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L 1 = 6.6 mm。图 2 中介质基片厚
3、度 H = 1 6 mm; 介质基片介 电常数 = 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 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
4、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 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 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
5、质 的介电常数 = 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 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， 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
6、质基片厚度 H = 16 mm; 辐射贴片的长度和 宽度为 W 0 = 40 mm，L 0 = 279 mm; 同轴馈电点离辐 射贴片中心距离 L 1 = 66 mm，L 2 = 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 245 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
7、线如图 5 所示。由图 5 中端口回波损耗 S11 扫频的结果可知，L 0= 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，W 0 = 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
8、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) 。若要将输入阻抗大小保持在 50 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 。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，L 0 = 27 9 mm， 50 的同轴馈电点位置为 L1 = 6 6 mm，L 2 = 7 87 mm，这样就设计出了 1 9
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。从图 10 中看出，1 9 GHz 时的归一化阻抗为 1. 02 + j0 19，245 GHz 时的归一化阻抗为 1 07 + j0. 37，在两个工作频点上都达到了很好的阻抗匹 配。245 GHz 时 xz 截面和 yz 截面的增益方向图如 图 11 所示。2 45 GHz 时天线的三维增益方向图如图 12 所示。从表 1 中可以看出，制作的天线在两个频点处有较好的回拨损耗参数，基本与仿真的结果一致，驻波比参数也较理想。4 天线制作及回波损耗测试在上述各项对双频微带天线的仿真和优化的基础上，制作出天线实物，如图 13 所示。利用实验室型号为 MF003503 的馈线测试仪(VSWR/RL 驻波比/回波损耗测量功能)对制作的天线进行参数测试，结果如表 1 所示。
