论文部分内容阅读
摘要：针对5G移动通信具备的极高传输速率、极低时延、极宽带宽等特征，使用HFSS三维仿真软件设计了一种作为5G阵列天线单元的矩形微带贴片天线，其工作频率为4.8GHz。HFSS仿真结果表明，天线在贴片长度为13.88mm时回波阻抗达为-34.86dB。综合增益方向图进行分析。结果表明，该天线的设计是可行的。
关键词：HFSS仿真；5G；微带天线；回波损耗
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：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
微带贴片天线是最基本、最常见的微带天线形式，由带导体接地板的介质基片上贴加光刻腐蚀等方式制作的导体薄片构成[1]。微带天线的结构决定了它拥有一系列的优势，包括尺寸小、厚度薄、重量輕，成本低所以与各种电路集成较为便利，另外还可以做成各种形状，是一种典型的共形天线[2]。天线分析的本质是麦克斯韦方程组在特定边界条件的解[3]，理论推导尤为复杂，通过HFSS软件对天线进行仿真设计，其最终结果与理论的分析相近。
2 矩形微带贴片天线原理
根据传输线理论分析，矩形微带天线可以等效为一段阻抗值较低的传输线，该传输线的长度约为电磁波波长的一半，微带天线的基本原理是辐射原理，该原理本质为高频电磁泄漏[4]，传输线两头开路处的缝隙形成天线的辐射场。本次仿真选用FR4环氧树脂板，采用微带线馈电。辐射贴片的尺寸可由下列的公式推导计算得出：
设介质基片的介电常数为[εr]，可计算出辐射贴片的宽度w：
经计算，此天线的边缘阻抗约为137W，而微博通用器件的阻抗值为50W，可以用一段四分之一波长（ 传输线中的波长）的传输线将天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗匹配起来[5]，该阻抗变换器阻抗可通过下列计算得到：。
3 微带天线仿真及优化
3.1 微带天线性能仿真测试
在以上计算得出的数据基础上，利用HFSS 仿真软件，构建天线模型进行分析，验证各项参数的准确性，方案的可行性，最终给出优化的各项参数[6]。该天线设计好辐射边界条件、波端口激励、及求解扫频设置之后，通过简单设置软件会将其S参数曲线结果输出[7]，仿真运行得到图2的扫频分析结果。
S 参数图描绘的是天线S参数随频率变化的图形， 一般认为 S 参数小于-10dB， 天线才能正常工作 [8]。从图中分析可以看出：
1）天线的谐振频率在4.65GHz附近，不符合要求的通信频率4.8GHz，所以要对天线参数进行优化。
2）天线的回波损耗值为-19.21dB，已经达到了良好的匹配性能。
3.2 微带天线性能仿真测试
3.2.1辐射贴片长度优化
添加扫频变量，先对辐射贴片长度L0进行扫描分析，设置L0的范围为12mm～14mm，每0.1mm为一个扫描单位，得到图3的结果。
分析图5中曲线，可知：
1）天线的谐振频率与L0的长度呈现反向比例的关系，L0数值越大，谐振频率越小。
2）13.8mm～13.9mm之间时可以达到要求的谐振频率4.8GHz。
下面对L0的扫频单位进一步精细化，得到图4的结果。
分析曲线可知，在W0的长度=19.02mm，L0的长度为13.88mm时，天线的谐振频率为4.8GHz。
3.2.2 阻抗变换器宽度优化
添加扫频变量，对阻抗变换器宽度W1进行扫描分析，设置W1的范围为0.7mm～1.1mm，得到图5的结果。
从曲线图中可知：
1）改变1/4阻抗变换器的宽度，天线谐振频率不会发生变化。
2）当W1为0.82mm时，天线回波损耗最小，大约为-34.86db。 将L0和W1的数值取代原来的模型，即可得到最佳模型尺寸。
4 微带天线性能指标
利用HFSS对模型进行仿真，数据处理之后，得到图6所示的S11结果。
经过对矩形微带天线的仿真分析，得到如下结论：
（1）天线的谐振频率与辐射贴片长度有关，辐射贴片长度越长，谐振频率越低。
（2）天线的性能与阻抗匹配器的宽度有关，设计最佳匹配宽度，可以使天线的阻抗值达到最小。
5 结束语
通过麦克斯韦方程组进行理论推导，利用Ansoft HFSS 软件[9]对辐射贴片长度和阻抗变换器宽度进行优化，实现了工作频率为 4.8GHz的微带矩形天线的设计。仿真分析结果表明，天線尺寸为13.88mm×19.02mm时，其回波损耗可达–34.68dB。可见，天线各项设计指标达到了预期的要求，为接下来的分析提供了理论支撑。下一步将对该天线进行试验性能测试，并分析将其作为阵列天线单元的可能性。
参考文献：
[1] 杨兵. RFID阅读器天线分析与设计[D]. 成都： 西南交通大学， 2009.
[2] 吕福全. 基于HFSS的微带天线线阵仿真[D]. 长春， 吉林大学， 2017.
[3] 贺吉. 一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天线[J]. 电子测试， 2017（19）： 10-11.
[4] 李俊生. HFSS在电磁场与电磁波中微带天线的教学研究[J]. 教育现代化， 2017， 4（40）： 198-199， 207.
[5] 白诚， 李红卫， 杨剑. 结构参数对微带贴片天线电性能的影响[J]. 无线通信技术， 2016， 25（1）： 37-40.
[6] 刘振， 石雄. 基于HFSS的双频微带天线仿真及设计[J]. 武汉工业学院学报， 2013， 32（3）： 36-39， 57.
[7] 宋庆武. 基于HFSS的微带天线建模仿真研究[J]. 电脑知识与技术， 2015， 11（26）： 199-201， 204.
[8] 李艳， 戴亚文. 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计[J]. 机电工程技术， 2010， 39（10）： 40-41， 50， 108.
[9] 李明洋. HFSS 天线设计[M]. 2版. 北京： 电子工业出版社， 2014.
【通联编辑：谢媛媛】
关键词：HFSS仿真；5G；微带天线；回波损耗
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：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
微带贴片天线是最基本、最常见的微带天线形式，由带导体接地板的介质基片上贴加光刻腐蚀等方式制作的导体薄片构成[1]。微带天线的结构决定了它拥有一系列的优势，包括尺寸小、厚度薄、重量輕，成本低所以与各种电路集成较为便利，另外还可以做成各种形状，是一种典型的共形天线[2]。天线分析的本质是麦克斯韦方程组在特定边界条件的解[3]，理论推导尤为复杂，通过HFSS软件对天线进行仿真设计，其最终结果与理论的分析相近。
2 矩形微带贴片天线原理
根据传输线理论分析，矩形微带天线可以等效为一段阻抗值较低的传输线，该传输线的长度约为电磁波波长的一半，微带天线的基本原理是辐射原理，该原理本质为高频电磁泄漏[4]，传输线两头开路处的缝隙形成天线的辐射场。本次仿真选用FR4环氧树脂板，采用微带线馈电。辐射贴片的尺寸可由下列的公式推导计算得出：
设介质基片的介电常数为[εr]，可计算出辐射贴片的宽度w：
经计算，此天线的边缘阻抗约为137W，而微博通用器件的阻抗值为50W，可以用一段四分之一波长（ 传输线中的波长）的传输线将天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗匹配起来[5]，该阻抗变换器阻抗可通过下列计算得到：。
3 微带天线仿真及优化
3.1 微带天线性能仿真测试
在以上计算得出的数据基础上，利用HFSS 仿真软件，构建天线模型进行分析，验证各项参数的准确性，方案的可行性，最终给出优化的各项参数[6]。该天线设计好辐射边界条件、波端口激励、及求解扫频设置之后，通过简单设置软件会将其S参数曲线结果输出[7]，仿真运行得到图2的扫频分析结果。
S 参数图描绘的是天线S参数随频率变化的图形， 一般认为 S 参数小于-10dB， 天线才能正常工作 [8]。从图中分析可以看出：
1）天线的谐振频率在4.65GHz附近，不符合要求的通信频率4.8GHz，所以要对天线参数进行优化。
2）天线的回波损耗值为-19.21dB，已经达到了良好的匹配性能。
3.2 微带天线性能仿真测试
3.2.1辐射贴片长度优化
添加扫频变量，先对辐射贴片长度L0进行扫描分析，设置L0的范围为12mm～14mm，每0.1mm为一个扫描单位，得到图3的结果。
分析图5中曲线，可知：
1）天线的谐振频率与L0的长度呈现反向比例的关系，L0数值越大，谐振频率越小。
2）13.8mm～13.9mm之间时可以达到要求的谐振频率4.8GHz。
下面对L0的扫频单位进一步精细化，得到图4的结果。
分析曲线可知，在W0的长度=19.02mm，L0的长度为13.88mm时，天线的谐振频率为4.8GHz。
3.2.2 阻抗变换器宽度优化
添加扫频变量，对阻抗变换器宽度W1进行扫描分析，设置W1的范围为0.7mm～1.1mm，得到图5的结果。
从曲线图中可知：
1）改变1/4阻抗变换器的宽度，天线谐振频率不会发生变化。
2）当W1为0.82mm时，天线回波损耗最小，大约为-34.86db。 将L0和W1的数值取代原来的模型，即可得到最佳模型尺寸。
4 微带天线性能指标
利用HFSS对模型进行仿真，数据处理之后，得到图6所示的S11结果。
经过对矩形微带天线的仿真分析，得到如下结论：
（1）天线的谐振频率与辐射贴片长度有关，辐射贴片长度越长，谐振频率越低。
（2）天线的性能与阻抗匹配器的宽度有关，设计最佳匹配宽度，可以使天线的阻抗值达到最小。
5 结束语
通过麦克斯韦方程组进行理论推导，利用Ansoft HFSS 软件[9]对辐射贴片长度和阻抗变换器宽度进行优化，实现了工作频率为 4.8GHz的微带矩形天线的设计。仿真分析结果表明，天線尺寸为13.88mm×19.02mm时，其回波损耗可达–34.68dB。可见，天线各项设计指标达到了预期的要求，为接下来的分析提供了理论支撑。下一步将对该天线进行试验性能测试，并分析将其作为阵列天线单元的可能性。
参考文献：
[1] 杨兵. RFID阅读器天线分析与设计[D]. 成都： 西南交通大学， 2009.
[2] 吕福全. 基于HFSS的微带天线线阵仿真[D]. 长春， 吉林大学， 2017.
[3] 贺吉. 一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天线[J]. 电子测试， 2017（19）： 10-11.
[4] 李俊生. HFSS在电磁场与电磁波中微带天线的教学研究[J]. 教育现代化， 2017， 4（40）： 198-199， 207.
[5] 白诚， 李红卫， 杨剑. 结构参数对微带贴片天线电性能的影响[J]. 无线通信技术， 2016， 25（1）： 37-40.
[6] 刘振， 石雄. 基于HFSS的双频微带天线仿真及设计[J]. 武汉工业学院学报， 2013， 32（3）： 36-39， 57.
[7] 宋庆武. 基于HFSS的微带天线建模仿真研究[J]. 电脑知识与技术， 2015， 11（26）： 199-201， 204.
[8] 李艳， 戴亚文. 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计[J]. 机电工程技术， 2010， 39（10）： 40-41， 50， 108.
[9] 李明洋. HFSS 天线设计[M]. 2版. 北京： 电子工业出版社， 2014.
【通联编辑：谢媛媛】