HFSS - 双频微带天线设计与仿真

一、设计指标

中心频率：1.9GHz、2.45GHz
匹配情况：中心频率处S11S_{11}S11参数小于-20dB
介质板厚度：1.6mm
介质板介电常数：4.4
馈电方式：50Ω\OmegaΩ同轴线馈电

二、双频微带天线

获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应-一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。其结构如下图所示。

从图中可以得知，x轴上的A点（x,0）为激发TM10_{10}10模式的50Ω\OmegaΩ馈电点，由于A点位于辐射贴片y方向的中心线上，因此不会激发其他TM0n_{0n}0n模式（n=1, 3，5，…）。另一方面，y轴上的B点(0,y) 为激发TM10_{10}10模式的50Ω\OmegaΩ馈电点，B点由于位于辐射贴片x方向的中心线上，因此不会激发其他TMm0_{m0}m0模式（m=1，3，5，…）。然后，如果将馈电点放置于(x,y) 位置的C点，则此时天线可以同时激发TM01_{01}01模式和TM10_{10}10模式，且在这两种模式下均能得到50Ω\OmegaΩ的输入阻抗。
这里直接使用同轴线馈电矩形微带天线中的矩形微带天线设计模型，在该模型的基础，上设计出一个工作于1.9GHz和2.45GHz的同轴线馈电的双频微带天线。

三、模型创建与仿真

在原来模型的基础上删除工程树Results节点下的所有结果报告、Optimetrics节点下的所有优化设计项和参数扫描分析项以及Radiation 节点下定义的辐射表面名称。同时，打开该设计文件所在的文件夹，删除其中的Coax_Patch.aedtresults文件夹。如下图所示

添加L2参量如下图

将馈电点移动至如下位置

注意通知修改馈针与圆切片的参数,即将馈电点移动至如下图所示位置

仿真结果如下：

从结果报告中可以看出，移动同轴线馈电点到辐射贴片的对角线位置后，矩形微带天线出现两个谐振点，一个谐振频率为2. 44GHz，另一个谐振频率为1. 77GHz。微带天线辐射贴片在x轴方向的长度以及馈电点在x轴方向的位置是在同轴馈电矩形微带天线中优化分析后的结果，把馈电点由辐射贴片的中心位置移动到对角线位置后，阻抗匹配良好，谐振频率稍微有所改变，由2.45GHz变成2.44GHz。微调辐射贴片的长度，将长度变量L0的值由27. 9mm改为27.7mm,再运行仿真分析，仿真结果如下：

从上图所示的结果报告中可以看出，移动同轴线馈电点到辐射贴片对角线位置后，当辐射贴片的长度L0=27.7mm时，微带天线的谐振频率为2. 45GHz，且此时S11S_{11}S11的值约为- 28dB。
下面来重点分析辐射贴片在y轴方向的长度(变量W0)和天线第二个谐振频率之间的关系，以及同轴线馈电点的y坐标( 变量L2)和输入阻抗之间的关系，从而给出中心工作频率为1. 9GHz时对应的Wo值和L2值，并设计出1. 9GHz和2.45GHz双频工作的矩形微带天线。

四、分析谐振频率与W0以及馈电点位置在W0方向上的关系

添加W0的参数扫描分析如下

分析结果如下图所示：

从参数扫描分析结果中可以看出，TM01_{01}01模式的谐振频率2.45GHz不会随着W0的改变而改变，TM10_{10}10模式的谐振频率会随着W0的变大而降低。当W0 =37mm时，谐振频率约为1. 91GHz，当W0 =37.5mm时，谐振频率约为1. 88GHz。这样，我们可以粗略估算当谐振频率为1. 9GHz时，W0 约为37. 1mm。

五、分析TM10_{10}10模输入阻抗和馈电点y坐标之间的关系

首先将W0改为37.1mm如下

运行仿真后查看输入阻抗的初始值如下

从结果报告中可以看出，在1. 9GHz工作频点上，输入阻抗为(82.7 -j27.1) Ω\OmegaΩ。根据之前的理论分析可知，要想使输入阻抗在50Ω\OmegaΩ左右，则L2的值需要小于初始值10mm。下面使用HFSS参数扫描分析功能来分析TM10_{10}10模在谐振频点(1. 9GHz)处的输入阻抗与同轴线馈电点y坐标(即变量L2)的变化关系，从而找出50N输入阻抗点。这里，添加L2为参数扫描变量，扫描范围设置为5mm~9mm，扫描步进值设置为0.5mm。如下图所示

查看扫描结果时，将Trace【轨迹】选项卡下的Primary Sweep【主要扫描】下拉列表中选择L2，如下图所示

结果如下图所示

从结果报告中可以看出，当L2移动到7.1mm位置时，输入阻抗约为(50.1 -j6.6) Ω\OmegaΩ。

六、设计结果

S11S_{11}S11结果
Smith圆图结果
2.45GHz增益方向图
1.9GHz增益方向图