基于HFSS矩形微帶天線仿真與設計

王琨 王茂丞 李宗澤 林昊晨

摘要：針對5G移動通信具備的極高傳輸速率、極低時延、極寬帶寬等特征，使用HFSS三維仿真軟件設計了一種作為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仿真結果表明，天線在貼片長度為13.88mm時回波阻抗達為-34.86dB。綜合增益方向圖進行分析。結果表明，該天線的設計是可行的。

關鍵詞：HFSS仿真；5G；微帶天線；回波損耗

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：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，由帶導體接地板的介質基片上貼加光刻腐蝕等方式制作的導體薄片構成[1]。微帶天線的結構決定了它擁有一系列的優勢，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]。天線分析的本質是麥克斯韋方程組在特定邊界條件的解[3]，理論推導尤為復雜，通過HFSS軟件對天線進行仿真設計，其最終結果與理論的分析相近。

2 矩形微帶貼片天線原理

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

設介質基片的介電常數為[εr]，可計算出輻射貼片的寬度w：

經計算，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（ 傳輸線中的波長）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算得到：。

3 微帶天線仿真及優化

3.1 微帶天線性能仿真測試

在以上計算得出的數據基礎上，利用HFSS 仿真軟件，構建天線模型進行分析，驗證各項參數的準確性，方案的可行性，最終給出優化的各項參數[6]。該天線設計好輻射邊界條件、波端口激勵、及求解掃頻設置之后，通過簡單設置軟件會將其S參數曲線結果輸出[7]，仿真運行得到圖2的掃頻分析結果。

S 參數圖描繪的是天線S參數隨頻率變化的圖形， 一般認為 S 參數小于-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，所以要對天線參數進行優化。

2）天線的回波損耗值為-19.21dB，已經達到了良好的匹配性能。

3.2 微帶天線性能仿真測試

3.2.1輻射貼片長度優化

添加掃頻變量，先對輻射貼片長度L0進行掃描分析，設置L0的范圍為12mm～14mm，每0.1mm為一個掃描單位，得到圖3的結果。

分析圖5中曲線，可知：

1）天線的諧振頻率與L0的長度呈現反向比例的關系，L0數值越大，諧振頻率越小。

2）13.8mm～13.9mm之間時可以達到要求的諧振頻率4.8GHz。

下面對L0的掃頻單位進一步精細化，得到圖4的結果。

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

3.2.2 阻抗變換器寬度優化

添加掃頻變量，對阻抗變換器寬度W1進行掃描分析，設置W1的范圍為0.7mm～1.1mm，得到圖5的結果。

從曲線圖中可知：

1）改變1/4阻抗變換器的寬度，天線諧振頻率不會發生變化。

2）當W1為0.82mm時，天線回波損耗最小，大約為-34.86db。

將L0和W1的數值取代原來的模型，即可得到最佳模型尺寸。

4 微帶天線性能指標

利用HFSS對模型進行仿真，數據處理之后，得到圖6所示的S11結果。

經過對矩形微帶天線的仿真分析，得到如下結論：

（1）天線的諧振頻率與輻射貼片長度有關，輻射貼片長度越長，諧振頻率越低。

（2）天線的性能與阻抗匹配器的寬度有關，設計最佳匹配寬度，可以使天線的阻抗值達到最小。

5 結束語

通過麥克斯韋方程組進行理論推導，利用Ansoft HFSS 軟件[9]對輻射貼片長度和阻抗變換器寬度進行優化，實現了工作頻率為 4.8GHz的微帶矩形天線的設計。仿真分析結果表明，天線尺寸為13.88mm×19.02mm時，其回波損耗可達–34.68dB。可見，天線各項設計指標達到了預期的要求，為接下來的分析提供了理論支撐。下一步將對該天線進行試驗性能測試，并分析將其作為陣列天線單元的可能性。

參考文獻：

[1] 楊兵. RFID閱讀器天線分析與設計[D]. 成都： 西南交通大學， 2009.

[2] 呂福全. 基于HFSS的微帶天線線陣仿真[D]. 長春， 吉林大學， 2017.

[3] 賀吉. 一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天線[J]. 電子測試， 2017（19）： 10-11.

[4] 李俊生. HFSS在電磁場與電磁波中微帶天線的教學研究[J]. 教育現代化， 2017， 4（40）： 198-199， 207.

[5] 白誠， 李紅衛， 楊劍. 結構參數對微帶貼片天線電性能的影響[J]. 無線通信技術， 2016， 25（1）： 37-40.

[6] 劉振， 石雄. 基于HFSS的雙頻微帶天線仿真及設計[J]. 武漢工業學院學報， 2013， 32（3）： 36-39， 57.

[7] 宋慶武. 基于HFSS的微帶天線建模仿真研究[J]. 電腦知識與技術， 2015， 11（26）： 199-201， 204.

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

[9] 李明洋. HFSS 天線設計[M]. 2版. 北京： 電子工業出版社， 2014.

【通聯編輯：謝媛媛】