基于HFSS矩形微帶天線仿真與設(shè)計(jì)

王琨 王茂丞 李宗澤 林昊晨

摘要：針對(duì)5G移動(dòng)通信具備的極高傳輸速率、極低時(shí)延、極寬帶寬等特征，使用HFSS三維仿真軟件設(shè)計(jì)了一種作為5G陣列天線單元的矩形微帶貼片天線，其工作頻率為4.8GHz。HFSS仿真結(jié)果表明，天線在貼片長(zhǎng)度為13.88mm時(shí)回波阻抗達(dá)為-34.86dB。綜合增益方向圖進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該天線的設(shè)計(jì)是可行的。

關(guān)鍵詞：HFSS仿真；5G；微帶天線；回波損耗

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）12-0278-03

Simulation Design of Communication Microstrip Antenna Based on HFSS

WANG Kun， WANG Mao-cheng， LI Zong-ze， LIN Hao-chen

（College of Electronic Engineering， Naval Univ. of Engineering， Wuhan 430033， China）

Abstract： For 5G mobile communication has the characteristics of extremely high transmission rate， extremely low delay， extremely wide bandwidth and so on，using electromagnetic simulation software HFSS three-dimensional design a 5 g for 4.8 GHz of rectangular microstrip patch antenna array antenna unit. Now， results show ，that the echo impedance of the antenna reaches -34.86dB when the patch length is 13.88mm. The integrated gain pattern is analyzed. The results show that the design of the antenna is feasible.

Key words： HFSS simulation； 5g； microstrip antenna； return loss

1 背景

微帶貼片天線是最基本、最常見的微帶天線形式，由帶導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加光刻腐蝕等方式制作的導(dǎo)體薄片構(gòu)成[1]。微帶天線的結(jié)構(gòu)決定了它擁有一系列的優(yōu)勢(shì)，包括尺寸小、厚度薄、重量輕，成本低所以與各種電路集成較為便利，另外還可以做成各種形狀，是一種典型的共形天線[2]。天線分析的本質(zhì)是麥克斯韋方程組在特定邊界條件的解[3]，理論推導(dǎo)尤為復(fù)雜，通過HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，其最終結(jié)果與理論的分析相近。

2 矩形微帶貼片天線原理

根據(jù)傳輸線理論分析，矩形微帶天線可以等效為一段阻抗值較低的傳輸線，該傳輸線的長(zhǎng)度約為電磁波波長(zhǎng)的一半，微帶天線的基本原理是輻射原理，該原理本質(zhì)為高頻電磁泄漏[4]，傳輸線兩頭開路處的縫隙形成天線的輻射場(chǎng)。本次仿真選用FR4環(huán)氧樹脂板，采用微帶線饋電。輻射貼片的尺寸可由下列的公式推導(dǎo)計(jì)算得出：

設(shè)介質(zhì)基片的介電常數(shù)為[εr]，可計(jì)算出輻射貼片的寬度w：

經(jīng)計(jì)算，此天線的邊緣阻抗約為137W，而微博通用器件的阻抗值為50W，可以用一段四分之一波長(zhǎng)（ 傳輸線中的波長(zhǎng)）的傳輸線將天線的輸入阻抗與傳輸線的特性阻抗匹配起來[5]，該阻抗變換器阻抗可通過下列計(jì)算得到：。

3 微帶天線仿真及優(yōu)化

3.1 微帶天線性能仿真測(cè)試

在以上計(jì)算得出的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用HFSS 仿真軟件，構(gòu)建天線模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，方案的可行性，最終給出優(yōu)化的各項(xiàng)參數(shù)[6]。該天線設(shè)計(jì)好輻射邊界條件、波端口激勵(lì)、及求解掃頻設(shè)置之后，通過簡(jiǎn)單設(shè)置軟件會(huì)將其S參數(shù)曲線結(jié)果輸出[7]，仿真運(yùn)行得到圖2的掃頻分析結(jié)果。

S 參數(shù)圖描繪的是天線S參數(shù)隨頻率變化的圖形， 一般認(rèn)為 S 參數(shù)小于-10dB， 天線才能正常工作 [8]。從圖中分析可以看出：

1）天線的諧振頻率在4.65GHz附近，不符合要求的通信頻率4.8GHz，所以要對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2）天線的回波損耗值為-19.21dB，已經(jīng)達(dá)到了良好的匹配性能。

3.2 微帶天線性能仿真測(cè)試

3.2.1輻射貼片長(zhǎng)度優(yōu)化

添加掃頻變量，先對(duì)輻射貼片長(zhǎng)度L0進(jìn)行掃描分析，設(shè)置L0的范圍為12mm～14mm，每0.1mm為一個(gè)掃描單位，得到圖3的結(jié)果。

分析圖5中曲線，可知：

1）天線的諧振頻率與L0的長(zhǎng)度呈現(xiàn)反向比例的關(guān)系，L0數(shù)值越大，諧振頻率越小。

2）13.8mm～13.9mm之間時(shí)可以達(dá)到要求的諧振頻率4.8GHz。

下面對(duì)L0的掃頻單位進(jìn)一步精細(xì)化，得到圖4的結(jié)果。

分析曲線可知，在W0的長(zhǎng)度=19.02mm，L0的長(zhǎng)度為13.88mm時(shí)，天線的諧振頻率為4.8GHz。

3.2.2 阻抗變換器寬度優(yōu)化

添加掃頻變量，對(duì)阻抗變換器寬度W1進(jìn)行掃描分析，設(shè)置W1的范圍為0.7mm～1.1mm，得到圖5的結(jié)果。

從曲線圖中可知：

1）改變1/4阻抗變換器的寬度，天線諧振頻率不會(huì)發(fā)生變化。

2）當(dāng)W1為0.82mm時(shí)，天線回波損耗最小，大約為-34.86db。

將L0和W1的數(shù)值取代原來的模型，即可得到最佳模型尺寸。

4 微帶天線性能指標(biāo)

利用HFSS對(duì)模型進(jìn)行仿真，數(shù)據(jù)處理之后，得到圖6所示的S11結(jié)果。

經(jīng)過對(duì)矩形微帶天線的仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）天線的諧振頻率與輻射貼片長(zhǎng)度有關(guān)，輻射貼片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，諧振頻率越低。

（2）天線的性能與阻抗匹配器的寬度有關(guān)，設(shè)計(jì)最佳匹配寬度，可以使天線的阻抗值達(dá)到最小。

5 結(jié)束語

通過麥克斯韋方程組進(jìn)行理論推導(dǎo)，利用Ansoft HFSS 軟件[9]對(duì)輻射貼片長(zhǎng)度和阻抗變換器寬度進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了工作頻率為 4.8GHz的微帶矩形天線的設(shè)計(jì)。仿真分析結(jié)果表明，天線尺寸為13.88mm×19.02mm時(shí)，其回波損耗可達(dá)–34.68dB?？梢?，天線各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的要求，為接下來的分析提供了理論支撐。下一步將對(duì)該天線進(jìn)行試驗(yàn)性能測(cè)試，并分析將其作為陣列天線單元的可能性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 呂福全. 基于HFSS的微帶天線線陣仿真[D]. 長(zhǎng)春， 吉林大學(xué)， 2017.

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[8] 李艷， 戴亞文. 基于HFSS矩形微帶貼片天線的仿真設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)， 2010， 39（10）： 40-41， 50， 108.

[9] 李明洋. HFSS 天線設(shè)計(jì)[M]. 2版. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2014.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】