基于HFSS三頻全向高增天線設計與仿真

沈細榮

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基于HFSS三頻全向高增天線設計與仿真

沈細榮

吳通控股吳通天線有限公司，江蘇 蘇州 215143

通過HFSS軟件建模，設計了一款外置天線，通過在PCB上三個長度不一致的天線子，形成天線三個諧點，結合金屬彈簧移相器的設計提升天線增益。采用HFSS對天線進行優化，設計出工作在2.4 GHz/3.5 GHz、5.8 GHz三個頻段高增益天線，且天線VSWR特性均小于2.0。采用仿真得出的尺寸進行打樣，制作樣品，測試結果表明樣品天線的性能指標與仿真結果一致，天線具有較優的三頻、全向、高增益特性。該天線設計具有成本低廉、工藝簡單的特性，可廣泛應用無線通信系統中。

HFSS；三頻；高增益；全向；WLAN；偶極子

近年來，隨著技術的不斷進步，無線通信得到了迅猛發展，WLAN（Wireless Local Area Networks 無線局域網）應用也越來越廣泛，而天線作為無線信號發射接受元器件，在通信中起著至關重要的作用。隨著需求提升，要求設備可以工作在三個或者三個以上頻段成為了一個重要課題，此聯動多頻天線技術的研究。人們總是希望天線盡單一化、簡單化，同時希望其具備全向特性、高增益性，以保證無線通信的穩定。因此設計出一款三頻全向高增益天線具有非常重大的現實意義。

棒狀外置天線是一種很常見的天線，無但市面上用的棒狀天線為兩個頻段設計，只能涵蓋到2.4 GHz、5.8 GHz頻段，沒有第三個頻段，故在使用中受到限制。故本文設計一款天線可以覆蓋三個工作頻段2.4G（2.4～2.5 GHz）、5.8G（5.15～5.85 GHz） 以及3.5G（3.4～3.6 GHz）頻段。從成本與性能考量，設計以PCB為偶極子線路為基礎加彈簧移相器結構進行設計。基板PCB以常見的FR4作為原材，用對稱及不對稱結構形成天線三個諧點，低頻子子形成2.4G諧點，中頻子形成中頻（3.5G）諧點，高頻子形成5.8G高頻諧點，結合彈簧移相器及偶極子間距及長寬進行調諧，以達到天線三頻高增益全向特性目的。

1 偶極子天線、巴倫及HFSS介紹

偶極子天線是常用的一種天線結構，為線極化，被廣泛大量使用。如圖1所示偶極子天線結構一般兩根長度約一致導體組成，每個導體長度約為1/4工作波長，但實際運用中要適當縮短，使天線產生諧，從而天線輸入阻抗沒有虛部，為純電阻特性。天線設計饋點位置在天線幾何中心，其 E面/H面輻射圖以幾何中心對稱[1]。

采用饋線連接天線，同軸線饋電偶極子，由理論可知偶極天線歸于平衡型天線的一種，但是同軸線歸于不平衡傳輸線，中間需增加動平衡-不平衡的轉換器-巴倫。本文采用扼流套型巴倫，在同軸線外側加一段長度約λ/4長度金屬壁罩，其作用于開路線，可達到遏制高頻信號功能[2]。設計采用漸變式金屬扼流壁罩巴倫，其與PCB偶極子天線一只臂共用，以節省天線空間。

圖1 半波偶極子天線圖

2 天線仿真結構模型

本文采用 HFSS軟件對天線建模及仿真，可在仿真后直接得出特性阻抗、S參數，方向圖等。主要使用到參數掃描分析功能及調諧分析功能，通過其來分析天線指標隨設定變量之間的相互關系，達到優化天線的目的，縮減仿真時間[3]。

2 天線結構設計

天線設計仿真結構如圖2所示，主要由三部分組成，PCB線路主體，其以FR4為基材，介電常數4.4；彈簧移相器，以磷青銅為材質，機器加工成彈簧形狀；天線外殼以TPE（熱塑性彈性體）為原材料。PCB采用單面線路設計，采用對稱不對稱偶極子方式進行設計，形成天線諧點，產生三頻天線三個諧點；彈簧移相器對天線相位移轉180 °，使得天線形成雙子串聯結構提高增益，通過調整天線彈簧結構的上下長度及彈簧的圈數及PCB線路的長寬，調整天線的諧點。理論標準偶極子天線的增益為2.15 dBi，雙偶極子串聯的理論增益會增加一倍，達到約5.15 dBi，考慮的實際材質損耗、線損等，此天線實際增益應該在4.5～5.5 dBi左右，完全可以達到路由器外置天線的使用。

3 仿真與分析

3.1 PCB仿真

天線外型設計采用圓形鞭狀設計，連接器采用SMA內螺紋與WLAN設備進行連接，在饋點位置用RG178同軸線纜進行饋電。依據偶極子天線原理設計三頻天線需三個諧點，故在PCB線路上設計有三個諧振子產生諧頻點，中間設計微帶線與彈簧進行焊接連接。理論計算偶極子單臂長度計算式（1）結合實踐經驗，設計天線模型PCB線路結構。在式（1）中：εr為基板介電常數、L為天線的振子長度、c為光速、f為天線的工作中心頻率。天線線路及微帶線，其均印在FR4介質板的一側，PCB外形尺寸為：W（10 mm）*L（40 mm）*H（0.8 mm），通過對單PCB進行仿真即可發現此PCB天線結構有產生三個諧點如圖3。分別對低頻中高頻振子進行尺寸變化仿真，分析其對天線諧點的影響。

如圖4所示，當低頻子由短變長時低頻諧點往高頻移動，中頻諧點頻率變化不明顯，高頻有產生較大變化；如圖5所示，當中頻子由短加長時，中頻諧點往高頻點變動，此時低頻諧點基本保持，高頻少許變化；如圖6所示，當高頻子由短變長時其諧點同樣往高頻移動，低中頻諧點基本保持不動。低頻、中頻振子在長度變動時由于相互互耦作用引起了高頻諧點的變化，故在仿制設計優化時應先優化低頻，然后中頻，最后優化高頻諧點。[4]

圖4 低頻子&天線RL

圖5 中頻子&天線RL

圖6高頻子&天線RL

3.2 天線整體仿真

PCB仿真設計定型后，在模型中增加彈簧移相器，重新對天線進行仿真并重點對彈簧移相器的圈數進行仿真分析。最后經多次調諧分析優化，設計確定出天線結構外形及及其對應尺寸，確保天線有三個諧點，使得天線在三個工作頻段2.4G（2.4～2.5 GHz）、5.8G（5.15～5.85 GHz）、3.5G（3.4～3.6 GHz）內VSWR特性均小于2.0，[5]同時查看3D輻射方向圖，天線在三個頻段中心頻點Gain在5.0 dBi左右。天線結構整體圖形，如圖9，各部分尺寸如表1所示。[6]

圖9 天線結構整體圖

表1 天線仿真尺寸表

4 天線實做與測試比對

依照仿真結果尺寸，進行打樣，焊接組裝同軸線以及SMA端子，并組裝桿套，形成實物成品如圖10，對樣品天線測試性能，確定天線在三個工作頻段回波損耗均達到了-10 dB以下，比較天線仿制結果，回波損耗稍有偏差，此是由于仿真時材料采用理想材料與實際材料有所差所引起。但兩者圖形基本保持一致說明仿真效果較好如圖11。

對樣品暗室測試天線效率、增益、3D方向圖，結果天線實際增益在三個頻段內可達5.0 dBi左右，效率70 %，H面不圓度小于1.5 dB，實現了天線的全向輻射功能特性，仿真與實物增益比對如表2。

結合天線仿真與樣品測試結果發現，仿真結果與實際制作樣品的測試結果一致性較好，說明通過HFSS在天線設計開發之初進行仿真可較好的節約時間及減少打樣測試次數、降低成本。

圖10天線實物圖

11 仿真與樣品回波損耗比較

表2 仿真與實物增益比對

5 結束語

本文設計的一款全新三頻全向高增益外置天線，以偶極子天線為理論原型結合扼流巴倫實現天線平衡不平衡轉換，設計出了三頻高增益全向天線，通過對仿真模型進行打樣加工制作實物，并進行測試，測試結果表明樣品天線在三個頻段內回波損耗均小于10 dB，VSWR小于2，增益在5 dBi左右。天線H面不圓度小于1.5 dB。此全向高增益三頻天線結構簡單，材料普通低廉，易于加工與組裝，可在無線通信起著廣泛應用。

[1]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.

[2]張寧，俱新德，任輝.天線饋點技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2016.

[3]李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]丁君，王小平，陳志亮.雙頻天線的設計與研究[J].彈箭與制導學報，2007，27（1）：21.

[5]宋旭亮，朱義勝.微帶天線的設計和阻抗匹配[J].現代電子技術，2008（1）：22.

[6]林昌祿.近代天線設計[M].北京：人民郵電出版社，1990.

Simulation and Design of a Tri-band Omnidirectional High gain Antenna based on HFSS

Shen Xirong

Wutong Group Wutong Antenna Co.，Ltd.，Jiang Suzhou 215143

Using HFSS software modeling，designed a model suitable for the external antenna. The antenna used in PCB design three lengths of antenna arms，forming antenna three resonance point. Combined with the metal spring phase shifter design enhance antenna gain. Using HFSS optimization analysis was carried out on the antenna，the final design of antenna In the 2.4 G，3.5 G and 5.8 G three frequencies resonance point，and the pattern of the antenna VSWR characteristic are less than 2. Made by simulation proofing of the size of sample，test performance of the sample are consistent with the simulation results，the antenna has the best three frequency，omni-directional，high gain characteristics. The antenna design also has the characteristics of simple and low cost，can be widely used in the wireless communication system.

HFSS；Thi-Band；High gain；Omnidirectional；WLAN；Dipole

TN822

A

1009-6434（2016）11-0090-03