基于HFSS的多頻段天線仿真與設(shè)計

華 艷 任潔心 甄安然揚州大學(xué)信息工程學(xué)院華艷（1995-）女，揚州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為通信工程；任潔心（1995-）女，揚州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；甄安然（1992-）女，揚州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為信號與信息處理。基金項目：揚州大學(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

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

本文針對在無線通信技術(shù)行業(yè)飛速發(fā)展的前提下，用戶對移動數(shù)據(jù)設(shè)備特別是智能手機的要求越來越高，即手機天線的帶寬以及頻段的問題，提出了一種由三個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)計與制造拓展了思路。

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行業(yè)曲線

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本文基于HFSS三維電磁仿真軟件，設(shè)計了一款可覆蓋日常手機所用頻段的天線。通過對該天線模型的仿真設(shè)計及參數(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手機天線。

當(dāng)今世界，無線通信技術(shù)行業(yè)飛速發(fā)展，移動數(shù)據(jù)設(shè)備特別是智能手機的發(fā)展和普及極大的方便了人們的生活。智能手機除了具備傳統(tǒng)手機的功能之外，還可以根據(jù)用戶自身需求，安裝各種功能的應(yīng)用軟件，這實現(xiàn)了掌上實時處理個人業(yè)務(wù)的目標(biāo)。手機本身被賦予了越來越多功能的同時，也導(dǎo)致人們對手機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；同時手機外觀的設(shè)計不斷融入時尚和美感的元素，這使得設(shè)計天線時尺寸受到限制。

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工作于特定頻率范圍的微帶天線，通過此三個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天線的收發(fā)功能。可以根據(jù)手機所處的狀態(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)手機需要接收信號時，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)手機需要發(fā)送信號時，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，具有較強的外部適應(yīng)能力，還做到了盡可能的減少對人體的輻射影響。

多頻段天線耦合原理

為了滿足單個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，實現(xiàn)多頻點的要求。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)計出高效率輻射貼片的長度L和寬度W：

兩個天線間的耦合效果，一方面要盡可能實現(xiàn)雙天線的工作頻段的拓寬，另一方面也要實現(xiàn)單個天線中不利的因素相互抵消，減少對人體的輻射影響。選取合適的多個窄頻區(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大于各個天線之和，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

為了實現(xiàn)天線的多頻段工作，本文采用開槽的方式來實現(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，形成了兩個相對獨立的電流回路，達(dá)到了PIFA天線在兩個頻段工作的目的。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，在實際設(shè)計中，天線的諧振頻率會受到圖2中L1、W1、L2、W2、G1、G2和t1等多個參數(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

設(shè)計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U形槽的尺寸如下表所示。

表1 1.8GHz和2.4GHz時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行天線的尺寸改進和參數(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；同軸饋電點距輻射貼片中心為26mm。并且再增加一個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行多頻天線的分析，驗證各項參數(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，回波損耗為- 11.4494dB，諧振頻率為1.80GHz時，回波損耗為- 21.7335dB，諧振頻率為2.45GHz時，回波損耗為- 13.7215dB，諧振頻率為3.12GHz時，回波損耗為- 14.5984dB，滿足天線的工作頻點處的S11參數(shù)要小于- 5dB的要求。并且從試驗中我

們發(fā)現(xiàn)諧振頻率會隨著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，VSWR=1.7309，諧振頻率為1.80GHz時，VSWR=1.8495，諧振頻率為2.45GHz時，VSWR=1.5109， 諧振頻率為3.12GHz時，VSWR=1.4577。

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

天線在2.45 GHz 時 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，天線在四個頻點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)計利用兩個天線間的耦合作用，設(shè)計出一種可以同時工作在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行天線的尺寸改進和參數(shù)優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，該方案設(shè)計的多頻天線具有較好的性能，能夠滿足實際工程應(yīng)用。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.020