基于HFSS的多頻段天線仿真與設(shè)計(jì)

華 艷 任潔心 甄安然揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院華艷（1995-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為通信工程；任潔心（1995-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；甄安然（1992-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。基金項(xiàng)目：揚(yáng)州大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助

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基于HFSS的多頻段天線仿真與設(shè)計(jì)

華 艷 任潔心 甄安然
揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院
華艷（1995-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為通信工程；任潔心（1995-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；甄安然（1992-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。基金項(xiàng)目：揚(yáng)州大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助

本文針對(duì)在無線通信技術(shù)行業(yè)飛速發(fā)展的前提下，用戶對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備特別是智能手機(jī)的要求越來越高，即手機(jī)天線的帶寬以及頻段的問題，提出了一種由三個(gè)U型槽組合成的多頻微帶貼片天線模型。為多頻段天線的設(shè)計(jì)與制造拓展了思路。

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本文基于HFSS三維電磁仿真軟件，設(shè)計(jì)了一款可覆蓋日常手機(jī)所用頻段的天線。通過對(duì)該天線模型的仿真設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化，可得該天線在0.94GHz，1.80GHz，2.45GHz和3.12 GHz頻段時(shí)性能較好，主要表現(xiàn)為回波損耗較小，駐波系數(shù)均小于2，增益較大。分析結(jié)果表明該天線可作為5G手機(jī)天線。

當(dāng)今世界，無線通信技術(shù)行業(yè)飛速發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備特別是智能手機(jī)的發(fā)展和普及極大的方便了人們的生活。智能手機(jī)除了具備傳統(tǒng)手機(jī)的功能之外，還可以根據(jù)用戶自身需求，安裝各種功能的應(yīng)用軟件，這實(shí)現(xiàn)了掌上實(shí)時(shí)處理個(gè)人業(yè)務(wù)的目標(biāo)。手機(jī)本身被賦予了越來越多功能的同時(shí)，也導(dǎo)致人們對(duì)手機(jī)性能的要求不斷提高，例如要求更高的數(shù)據(jù)傳輸率，更好的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和更大的系統(tǒng)容量，這些要求均需要手機(jī)天線擁有較大的帶寬以及盡可能覆蓋到所有常用頻段；同時(shí)手機(jī)外觀的設(shè)計(jì)不斷融入時(shí)尚和美感的元素，這使得設(shè)計(jì)天線時(shí)尺寸受到限制。

在本文中，利用Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator）三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)出了一款全向微帶貼片天線，該天線具備三條主功能貼片，且各貼片均為可單獨(dú)工作于特定頻率范圍的微帶天線，通過此三個(gè)貼片天線間的耦合作用，形成一款擁有多頻段且小型化的天線。該天線由多天線組合共同完成手機(jī)天線的收發(fā)功能?？梢愿鶕?jù)手機(jī)所處的狀態(tài)，通過控制該天線的相位，自適應(yīng)的調(diào)整天線收發(fā)狀態(tài)，即可以在不同頻段和不同輻射相位之間自由切換。當(dāng)手機(jī)需要接收信號(hào)時(shí)，則可以通過控制天線相位，使其處于全向輻射狀態(tài)；而當(dāng)手機(jī)需要發(fā)送信號(hào)時(shí)，則依舊通過控制天線相位，使其處于定向輻射的狀態(tài)。這種定向與全向之間的切換，不僅能使天線滿足接收與發(fā)射的雙重功能，具有較強(qiáng)的外部適應(yīng)能力，還做到了盡可能的減少對(duì)人體的輻射影響。

多頻段天線耦合原理

為了滿足單個(gè)天線小型化和多頻段的要求，可采用微帶天線開槽技術(shù)，通過不同的尺寸槽，實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)的要求。以矩形貼片為主的微帶天線，其基本原理是傳輸線理論，故可根據(jù)傳輸線理論推算出大致的工作頻率，微帶天線的傳輸線模型原理如下圖1所示。

對(duì)于工作頻率為f的矩形微帶天線，可以得出工作波長為λ，假定介電常數(shù)為ε，則可以通過（1）式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的長度L和寬度W：

兩個(gè)天線間的耦合效果，一方面要盡可能實(shí)現(xiàn)雙天線的工作頻段的拓寬，另一方面也要實(shí)現(xiàn)單個(gè)天線中不利的因素相互抵消，減少對(duì)人體的輻射影響。選取合適的多個(gè)窄頻區(qū)天線組合在一起，通過調(diào)節(jié)各天線間的阻抗匹配關(guān)系，可以形成新的天線。若阻抗匹配較好，新天線的帶寬可能會(huì)大于各個(gè)天線之和，這使得天線的帶寬得到了延拓。

圖1 微帶天線的傳輸線模型原理

圖2 U形開槽PIFA天線

為了實(shí)現(xiàn)天線的多頻段工作，本文采用開槽的方式來實(shí)現(xiàn)多頻段。開槽方案又有多種選擇，其中最常使用且比較簡單的是L形和U形開槽，本文我們采用U形開槽。U形開槽的PIFA天線輻射金屬片如圖2所示，開槽改變了電流路徑，形成了兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電流回路，達(dá)到了PIFA天線在兩個(gè)頻段工作的目的。長度為L1、寬度為W1的矩形金屬片作為輻射元1，產(chǎn)生低頻諧振頻率f1；長度為L2、寬度為W2的矩形金屬片作為輻射元2，產(chǎn)生高頻諧振頻率f2。諧振頻率fr的估算公式為：

上述估算公式僅具有指導(dǎo)意義，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，天線的諧振頻率會(huì)受到圖2中L1、W1、L2、W2、G1、G2和t1等多個(gè)參數(shù)的影響，需要多次調(diào)試才能達(dá)到理想的性能。

多頻天線參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求該多頻天線工作于GSM900頻段（880～960MHz）、DCS1800頻段（1710～1880MHz）和Bluetooth（藍(lán)牙）WLAN頻段（2400～2484MHz）。天線結(jié)構(gòu)可分為接地板、貼片、短路片和同軸饋線，其中接地板、貼片和短路片的材質(zhì)都是銅，貼片和接地板之間采用泡沫支撐。接地板位于最下方，根據(jù)式（1），可計(jì)算出其長度和寬度為160mm和160mm。為了使天線有足夠大的帶寬，天線高度取10mm。 輻射貼片位于最上方，根據(jù)公式（2），諧振頻率為0.9GHz時(shí)貼片的長度和寬度分別取55mm和25 mm。根據(jù)公式（2），諧振頻率為1.8GHz和2.4GHz 時(shí)U形槽的尺寸如下表所示。

表1 1.8GHz和2.4GHz時(shí)U形槽的尺寸

圖3 多頻天線模型圖

圖4 多頻天線模型俯視圖

圖5 回波損耗S11與頻率的變化曲線

圖6 電壓駐波比VSWR與頻率的變化曲線

多頻天線仿真結(jié)果及性能分析

經(jīng)過HFSS三維電磁仿真軟件進(jìn)行天線的尺寸改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化，得到的結(jié)果如下：介質(zhì)基片長度和寬度為120mm 和120mm；介質(zhì)基片厚度為10mm； 輻射貼片的長度和寬度為55mm和21 mm；U形槽1的長度和寬度為32mm 和14mm；U形槽2的長度和寬度為28mm和6mm；同軸饋電點(diǎn)距輻射貼片中心為26mm。并且再增加一個(gè)U形槽3，其長度和寬度分別為24mm和2mm。修改后的天線模型如圖3、圖4所示。

通過HFSS三維電磁仿真軟件進(jìn)行多頻天線的分析，驗(yàn)證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性和方案的可行性，得到的分析結(jié)果如下。

由圖5中端口回波損耗S11掃頻的結(jié)果可知，諧振頻率為0.94GHz時(shí)，回波損耗為- 11.4494dB，諧振頻率為1.80GHz時(shí)，回波損耗為- 21.7335dB，諧振頻率為2.45GHz時(shí)，回波損耗為- 13.7215dB，諧振頻率為3.12GHz時(shí)，回波損耗為- 14.5984dB，滿足天線的工作頻點(diǎn)處的S11參數(shù)要小于- 5dB的要求。并且從試驗(yàn)中我

們發(fā)現(xiàn)諧振頻率會(huì)隨著L的增加而降低；改變1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器的寬度W，不會(huì)改變天線的諧振頻率，但可以改善其S11值，達(dá)到最佳匹配性能。

由圖6中電壓駐波比VSWR與頻率的變化曲線的結(jié)

果可知：諧振頻率為0.94GHz時(shí)，VSWR=1.7309，諧振頻率為1.80GHz時(shí)，VSWR=1.8495，諧振頻率為2.45GHz時(shí)，VSWR=1.5109， 諧振頻率為3.12GHz時(shí)，VSWR=1.4577。

從圖7中可以看出，天線在0.94GHz時(shí)，輸入阻抗為（32.5-j13.9）Ω，諧振頻率為1.80GHz時(shí)，輸入阻抗為（56.9-j5.4）Ω，諧振頻率為2.45GHz時(shí)，輸入阻抗為（32.9+j0.5）Ω， 諧振頻率為3.12GHz時(shí)，輸入阻抗為（19.3+j54.2）Ω。

天線在2.45 GHz 時(shí) xz 截面和 yz 截面的增益方向圖如圖8所示。

從表2中可以看出，天線在四個(gè)頻點(diǎn)處有較好的回波損耗參數(shù)，駐波比參數(shù)也較理想。

圖7 輸入阻抗隨頻率的變化結(jié)果

圖8 2.45 GHz時(shí)的增益方向圖

表2 駐波比/回波損耗測試參數(shù)

結(jié)束語

本設(shè)計(jì)利用兩個(gè)天線間的耦合作用，設(shè)計(jì)出一種可以同時(shí)工作在0.94GHz，1.80GHz，2.45 GHz 和3.12GHz的多頻天線。通過HFSS三維電磁仿真軟件進(jìn)行天線的尺寸改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案設(shè)計(jì)的多頻天線具有較好的性能，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.020