PDF《基于HFSS的缝隙耦合贴片天线仿真》

基于HFSS的缝隙耦合贴片天线仿真 石卫卫1,周志平1,吴智恒1,李民英2,曹梦乐2 (1.

广东省机械研究所,广东广州 510635;

2.广东省志成冠军集团有限公司,广东东莞 523718) 摘要:以缝隙耩答贴片天线为研究对象,利用HFSS软件建立了天线的物理模型,求解得到了回波损耗、驻波比等结果.优化缝隙 的几何尺寸麝,天线的性能得到较大提高.具体表现在:增加了中心工作频率处的回波损耗和驻波比;

增加了频带宽度;

提高了 增益水平. 关键词:贴片天线;

缝隙耦合;

尺寸优化 中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1009-9492(2011)08-0038--02 1引言 缝隙微带天线具有低成本、低功耗、体积小、易于集 成等优点,广泛地应用于微波集成电路和毫米波领域.缝 隙的形状是多种多样的,有矩形槽、U形槽、H形槽、X 形槽等[i-3].形状的多样化也带来了天线性能的提高及功 能的多样化.缝隙耦合天线由缝隙微带天线发展而来,它 的馈线和辐射单元分别装在两个介质板上.中间由接地板 隔开,因此馈电和辐射两部分可分别进行设计,且馈线的 寄生辐射弱,交叉极化水平低,有着很好的应用背景…. 本文采用HFsS软件仿真分析了一种缝隙耦合的线极化贴 片天线.并优化了缝隙的几何尺寸. 2有限元仿真 2.1仿真软件HFSS简介 HFss是美国.durmoft公司开发的高频电磁结构仿真软 件包.该软件包基于电磁场分析的有限元理论,能够计算 任意形状的三维无源结构S参数和全波场.求解问题涵盖 外场辐射及内场分析.可直接得到特性阻抗、传播系数、 S参数、辐射场、天线方向图等结果.该软件操作界面方 便易用,建模工具丰富.白适应网格剖分技术稳定成熟, 仿真速度快捷且仿真精度高.总体来说可靠性很强.其附 带的参数分析、优化设计、灵敏度分析等功能为用户进行 结构优化设计提供了强大的工具.可帮助工程师有效地设 计各种高频结构. 2.2缝隙耦合贴片天线模型 本文研究的贴片天线采用徽带线通过缝隙耦合对辐射 贴片进行馈电.天线结构如图l所示.介质l厚度为h., 上端为贴片,下端为带缝隙的接地板.地板下方为厚度J12 的介质2.介质2下方为馈线.本文所建立的计算模型如 图2所示.其中.介质l和介质2的介电常数分别为2.2 和3.5,厚度分别为h,=5mm,h,F-3mm,长和宽均为140ram 和100ram.贴片为40mmx30mm的矩形.矩形地板长宽均 与介质长宽相等.缝隙为窄长条形,位于贴片正下方.长 和宽分别为2mm和14mm.馈线为70mmx5mm的矩形长 条.其中.长度和宽度分别对应模型中x方向和',方向的 尺寸. l 贴片平面 介质1 f 带缝隙的地板平面 - I 介质2 I I 馈线平面 工^- 工^z 图I 天线结构示意图 2.3仿真结果 采用HFSS软件.对以上的模型建立了相应的边界条 件和激励,求解频率设置为6.45Gttz,扫频范围为6― 7GI-lz.求解得到了S参数图、驻波比图等结果. 图3给出了回波损耗Sll随频率的变化关系.S参数 表示在渡端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值.由 图可见.曲线在频率为6.45GHz附近出现波谷,回波损耗 在6.45GHz处达到最大.约一l 1.SdB.说明在该频率天线和 馈线匹配最佳.但一11.8dB的回波损耗偏小.计算可得绝 '广东省电力电子变漉技术企业重点实验室项目(编号:2009A0608(X)035);

广东省科技计翅项目(绾号:2009A01l印加嘶) 蝙嗍瑚¨舡¨臣=珏丑=] 瞄瞄山''_――'-警t―二二=――蕾乜'―-越-翊 万方数据 图2 HFSS中建立的天线模型 / / ≠一.{ / ~ 一・一||,7 f… ||飞/0Freq/GHz 图3 回波损耗随频率变化图 对频带宽度(S参数小于一10 dB)约0.52 GHz.相对频带 宽度为8 06%. 图4为驻波比与频率的相对变化关系图.驻波比是衡 量天线性能的重要参数.从图中可以看出驻波比在频率为 ./ f f/ } f } K .i, /j ―.―,―, :{ 罔4 驻波比随频率变化圈 6.45GHz的波谷处的极值约为1.7.频带范围与S参数基本 一致.该天线最大增益为7.1dB,整体来看天线的性能较 好.但仍有待加强. 3尺寸优化 3.1优化约束及目标 缝隙耦合贴片天线的主体结构为两层介质.天线的性 能和结构的一些关键尺寸是密切相关的.例如.上层介质 板的媒介参数影响天线的阻抗带宽.频带愈宽则要求介电 常数愈低而厚度愈厚.但厚度的增加会减弱贴片和缝隙之 间的耦合作用.因此结构的尺寸需综合考虑. 在结构外形基本确定的前提下.缝隙的尺寸是缝隙耦 合天线的重要的尺寸.直接影响着谐振频率和谐振电阻. 本文以缝腺的长和宽为设计变量.以提高天线的带宽为优 化目标,运用HFSS软件的参数分析和优化功能对天线开 展了尺寸优化工作.缝隙仍位于贴片的正下方.z方向和r 方向尺寸的变化范围分别为1_7mm≤甲≤2.3mm和llmm咤