【电磁场与电磁波课程设计】基于HFSS的双频微带天线仿真及设计
目录
摘要
一、天线结构设计
1.微带天线的初始设计
2. HFSS的模型设计
二、天线的仿真分析
1．双频微带天线的设计模型
2. 最终扫频图
3、4.9GHz E、H平面增益方向及三维增益方向1
4、4.9GHz E、H平面增益方向及三维增益方向2
三、结论
参考文献
摘要
第五代移动通信技术(5G)的商用已经近在眼前，作为移动通信中最为重要的功能组件，面向5G通信应用的手机天线与基站天线的技术研究与设计成为近年来的热点。随着移动通信中“跳频”“扩频”等通信技术发展，为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。根据国家工信部的最新规定，5G移动通信的中频段被划定在3.3 GHz-3.5 GHz及4.8 GHz-5.0 GH，面向5G移动通信的天线应具有高增益、小型化、宽频段及高隔离度等技术特征，以满足5G通信的高传输速率、波束智能赋形、波束能量聚集等功能。基于以上背景,本文提出并设计了一款可覆盖3.3-3.6GHz及4.8-5.0GHz频段的双频微带天线，馈电方式采用同轴馈电，具有圆极化、宽频带、多频带、可重构等特点，还针对5G通信对于天线的技术要求对本文设计天线的性能进行了研究与讨论，作为大学生，这对我们以后能更好地涉入通信领域具有十分重要的意义。
关键词：双频微带天线；5G；圆极化；同轴馈电
一、天线结构设计
1.微带天线的初始设计
影响微带天线性能和尺寸的参数主要有介质基板和基板的厚度。假设双频微带天线的介质基片的介电常数为E,厚度为h,贴片宽度W,介质板的相对有效介电常数Eg,贴片的长度L。对于工作在4.9GHz、3.45GHz的双频微带天线，根据天线理论有
（1）贴片宽度为W：
式中C为真空中的光速。
（2）贴片长度为L：
式中C为真空中的光速，εe为有效介电常数，∆L为等效辐射缝隙长度其可用以下两个公式计算：
（3）输入阻抗为50Ω同轴馈电点的位置估算为：
其中
（4）介质基片的选取：
εr是相对介电常数,如果想要提高微带天线带宽和效率,则需要增加介质基板厚度,但介质板厚度的增加不但增加了天线的重量而且破坏了低剖面，同时表面波的辐射也会随着介质基片的厚度的增加而产生。通常在hfm<0.1,(fm为最大工作频率)即可保证不会引起表面波的明显激励。所以我们采用厚度为1.60mm的FR4环氧树脂(FR4-Epoxy)板，其介电常数值为4.4。通过计算后,设置天线的初始参考值如下:
天线尺寸初始参考值
|
介质基片厚度h |
1.60mm |
|
辐射贴片长W |
18.63mm |
|
辐射贴片宽度L |
14.0285mm |
|
介质基片半径R |
22.04mm |
|
馈电点的x坐标Lx |
3.418mm |
|
馈电点的y坐标Ly |
3.460mm |
2. HFSS的模型设计
矩形微带天线的HFSS设计模型如图1、图2所示。模型的中心位于坐标原点，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y轴方向。介质基片的大小是辐射贴片的2倍，参考地和辐射贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS中通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。因为使用50Ω同轴线馈电，所以这里使用半径为0.6mm、材质为理想导体(pec)的圆柱体模型来模拟同轴馈线的内芯。圆柱体与z轴平行放置，其底面圆心坐标为(L1,0,0)。圆柱体顶部与辐射贴片相接，底部与参考地相接，则其高度为H。在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输人输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。
（1）双频
在上面模型的基础上设计出一个工作于4.9GHz和3.45GHz的同轴线馈电的双频微带天线。
在此处的双频设计中，只需使用HFSS仿真分析给出矩形微带天线的辐射贴片在y轴方向的长度和同轴线馈电点(B点)的位置，从面使天线能够同时工作于3.45GHz,且输人阻抗在50Ω左右。首先，把微带天线的基本参数，即介质基片厚度h=1.6mm,介质的介电常数εr=4.4,分别代人到式(1)、式(2)和式(3)中，计算出中心工作频率为3.45GHz时，天线辐射贴片在y轴方向的长度的初始值和50Ω馈电点(B点)离辐射贴片中心距离的初始值，分别为20mm和10mm。
在设计中，我们新定义一个设计变量L2，用以表示馈电点的y，其初始值则为上面计算得出的10mm。然后，移动同轴线馈电点到(L1,12) 坐标位置，再借助干HFSS的参数扫指分析或者优化设计功能，分析给出天线辐射贴片在y轴方向长度和同轴线馈电点位置(即变量L2)的实际值，从而使天线谐振颇率为3.45GIHz, 输人阳抗在50Ω左右。
然后根据实际分析给出的辐射贴片的长度和宽度以及馈电点的位置，使用HISS分析给山设计出的双频天线各项性能参数。
（2）圆极化
在上面模型的基础上设计一个右旋圆极化CPS接收天线。
在该设计模型中，变量L0和WO分别表示辐射贴片的长度和宽度，变量L1和12分别表示同轴线馈电点在x、y方向上离辐射贴片中心的距离。新定义两个变量Lc和Delta,其中Lc用于表示谐振频率为3.45GHz时所对应的辐射贴片长度值，其初始值为18.63mm; Delta 表示辐射贴片的微调长度值，其初始值为0.0143 *Lc。我们根据前面的理论分析可知，要想实现圆极化辐射，需要设置辐射贴片的长度变量Wo=Lc+Delta、宽度变量Wo=Lc-Delta，馈电位置L2 =L1。由前面的计算可知Ll的初始值为3.418mm。另外，4.9GHz对应的1/4个自由空间波长为15.3mm，所以需要把变量length的值改为15.3mm。
因为天线的中心频奉为4.9GHz,所以首先将求解频率设置为4.9GHz,扫频范围设置为4.5CHz~5.0GHz,扫频步进值设置为0.01GHz,并运行仿真分析，查看设计的微带天线在初始尺寸下的谐振频率和输入阻抗。
然后，使用HFSS参数扫频分析功能，分别分析给出辐射天线尺寸和谐振频率之间的关系，以及馈电点的位置和输入阻抗之间的关系，确定满足设计要求的辐射贴片HFSS天线设计算。
二、天线的仿真分析
1．双频微带天线的设计模型
2. 最终扫频图
3、4.9GHz E、H平面增益方向及三维增益方向1
4、4.9GHz E、H平面增益方向及三维增益方向2
三、结论
某些应用上,人们希望天线能工作在两个乃至多个频带上来实现天线的更多功能，提高利用率。实现双频工作可以使天线系统有利于小型化。
本文主要从实现天线双频工作着手，设计了中心频率为4.9GHz和3.45GHz的输入阻抗为50Ω同轴馈电的双频矩形微带天线，且在两个频段都有210%的阻抗带宽和获得>6dBi的增益。使用HFSS软件进行仿真，并且在原有的尺寸基础上提出了一种合理的优化方法。结果表明,优化设计之后的双频微带天线很好的满足了设计指标。
参考文献
[1] 方小川. (0). 面向5G移动通信的天线技术研究及设计. (Doctoral dissertation). DOI:CNKI:CDMD:2.1018.708816
[2] 韩东方. (0). 5G移动通信天线的研究与设计. (Doctoral dissertation). DOI:CNKI:CDMD:2.1018.047569
[3] ROH, WONIL, SEOL, JI-YUN, PARK, JEONGHO,et al. Millimeter-Wave Beamforming as an Enabling Technology for 5G Cellular Communications: Theoretical Feasibility and Prototype Results[J]. IEEE Communications Magazine: Articles, News, and Events of Interest to Communications Engineers,2014,2(2).
[4] 祝聪聪, 王斌, 廖晨阳, 等. 面向 5G 微基站的双频双极化电磁偶极子天线设计[J]. 电波科学学报. DOI: 10.13443/j.cjors. 2019061901
ZHU C C, WANG B, LIAO C Y, et al. Design of a dual-band dual-polarized magneto-electric dipole antenna for 5G microcell base
station [J]. Chinese journal of radio science. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors. 2019061901
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