基于HFSS的915_MHz微带天线设计与仿真验证

第25卷第7期 V01．25 No．7 荆楚理工学院学报 Journal of Jingchu University of Technology 2010年 7月 Ju1．2010 基于 HFSS的915 MHz微带天线设计与仿真验证 吴志雄，王 洪 (福建信息职业技术学院 科研处，福建 福州 350003) [摘 要] 以计算机电磁模拟仿真软件 HFSS为平台，以915MHz矩形微带贴片天线为例 ，介绍天线工 程设计与仿真验证的过程。文中采用经典的传输线理论估算设计参数，并在计算机上建模与验证，根据仿真 结果优化调整设计参数，使所设计的天线在给定条件下达到可实现的最佳性能指标。 [关键词] HFSS软件；微带天线；天线设计；电磁模拟仿真 [中图分类号] TN817 [文献标识码] A [文章编号] 1008—4657(2010)07—0005一o4 印制天线是采用印刷电路制造工艺构建的，而微带贴片是印制天线最普遍的形式 J。微带天线概 念最早在 1953年提出，但直到上世纪七十年代随着微波技术的进步才逐步发展起来 J，之后由于其在 结构和制造上的优势迅速成为天线领域的重要研究方向，并在实际系统中得到广泛的研究和应用。 计算电磁学(CEM)被广泛地定义为一门内在和常规地应用数字计算机来获得电磁问题的数值结 果的学科⋯。得益于现代电子计算机的高速运算性能，在解决类似天线辐射等复杂电磁场问题时，可 以利用计算机来快速计算和分析结果。计算电磁学有很多分类，本文所讨论的三维电磁场仿真软件 HFSS是基于有限元分析方法(FEM)，其基于数值分析方法中的频域微分方程技术，适合于研究天线等 电磁波空间散射类问题 J。该软件具有较高的仿真精度和可靠性，成为目前国际上解决天线应用分析 与工程设计问题的主流。 本文以计算机电磁模拟仿真软件HFSS为平台，以915 MHz矩形微带贴片天线为例，介绍天线工程 设计与仿真验证的过程。 1 理论计算 考虑到便于在实际应用系统中调整和实现，本例讨论结构最简单、最易实现且成本最低的矩形半波 微带辐射贴片，设计谐振频率915 MHz、线极化、微带侧边馈电方式。辐射元典型增益在3 dB左右，阻 抗匹配良好，要求有尽量小的体积尺寸。主要设计性能指标包括：SE作频率点辐射主瓣宽度 0 90。 (包括E面和H面)；回波损耗 S11≤一14 dB(VSWR≤1．5)；最大方向增益 G 3 dB(辐射效率 11— 0．5)；系统带宽 Bf 1．5％(以工程标准 Sll≤一14 dB为参考)；天线主平面尺寸≤2O cm x 15 cm等。 根据天线谐振中心频率，算得自由空间波长 。=327．87 mm。经综合考虑多方面因素，选择介电常 数8 =4．4，厚度h=5 mm的介质基板材料。根据经典传输线理论H ]，计算矩形辐射元宽度尺寸为 w： ( )一__1 99 ．8(mm) 二 1r 厶 介质有效介电常数为 s ： + (1+ )一手：4 ． 044 04 s =—■ 十— — +—— = ． [收稿 日期】2010—05—08 [基金项目]福建省教育厅科技基金资助项目(项目编号：JA09225)。 【作者简介]吴志雄(1965一)，男，福建福安人，福建信息职业技术学院副教授。研究方向：信号采集与处理、计算机 仿真。 5 算得介质内波长 163．12 1Tlnl，矩形辐射元长度边缘延伸量 △l为 (￡ +0．3)( +0．264) A1：O．412h————— -_—一 =2．3(1TIIn) (8。一0．258)( +0．8) 辐射元长度为 、 L= 一22xl=77(mm) 介质基板宽度取 W。：W+0．2h =132．4(mm) 介质基板长度则根据匹配馈线长度来确定。 谐振矩形贴片边缘的典型输入阻抗范围为 100～400 Q，半波贴片谐振时电抗为零，边馈输人阻抗 可用如下公式来近似计算得 f 、 2 T Zin=90 ( ) =287·6(Q) 本文采用微带传输线四分之一波长匹配的方式来实现微带侧边缘馈电，该四分之一波长变换器的 特性阻抗为Z = zi z。=120(Q)。一般而言，微带传输线的特性阻抗随微带宽度的增加而降低，其尺 寸可通过专用的工程设计软件计算得到。 本文使用 ADS软件的微带线计算工具 LineCal计算微带馈线尺寸，当特性阻抗 Z。=50(Q)时，微带 馈线宽W =9．56(rain)，长L =44．5(mm)；当特性阻抗Z。 =120(Q)时，作为阻抗匹配变换器的微带传 输线宽 W。=1．24(rlln1)，长 L =47．5(rnrn)。 2 仿真优化 利用 HFSS软件提供的变量定义功能(如表 1)，可实现快速参数建模及优化调整。天线的基本参 量均已在上述理论计算中得到。 表 1 天线变量定义说明表(主要部分) 通过软件提供的基本结构模型与逻辑代数命令可以快速实现建模，模型主体建立后，还要分别对两 种馈电结构进行建模，并设置环境边界与激励源。完成建模的模型如图1所示。 HFSS软件采用自适应迭代算法，用最大求解迭代差 △s来控制求解精度。根据初步仿真结果，天 线的谐振频率存在偏移(见图2)，阻抗匹配也不理想，这是由于传输线理论本身的缺陷造成，因此需要 进一步优化设计参数。 由于微带边馈结构可以不用考虑馈电点位置对谐振频率的影响，选择对贴片辐射元长度进行单一 参数优化，根据仿真结果直接找最佳值。则当贴片辐射元长度取值74．1 mm时，天线谐振中心频率调 整在915 MHz附近，但s， 参数等性能指标还没有达到一14 dB的要求。 经过再次参数扫描优化，当匹配变换段线宽为3．7 i／lln时，实现良好阻抗匹配，s。。参数值满足设计 6 指标要求。若进一步考虑引入阻抗匹配馈线对天线谐振频率的影响 ，根据之前已仿真的结果，将贴 片辐射元长度调整为74．2 mm时，天线在915 MHz频段表现出最佳的性能，如图3、图4所示。 图 1 侧边馈电矩形微带贴片天线模型 _＼ 一． 一， ／ OMm 帕 (aLung 1，LUrr1)Port1)) ， Se～01：9 Ⅻ1 l ／ ＼ f／ l 3 f ＼ 图 2 天线模型仿真结果 1(S 。) RadIation Pattern 1 LP_UneFeed Single 图3 天线模型仿真结果(Direcfivity) AnsOt Coq~ration XY Plot 1 图4 天线模型仿真结果 2(S 。) 7 3 结论 从上述仿真结果可知，选择介电常数4．4、厚度 5 1／11／1的介质基板材料，贴片辐射元尺寸为99．8／nln x 74．2 1／11／1，四分之一波长阻抗匹配变换器尺寸为47．3 mm ×3．7 mm时，天线中心谐振频率在 915 MHz附近，工作频率点辐射主瓣 E面波瓣宽度 0 =84。，H面波瓣宽度 0， =97。，天线增益 Gain= 3．25(dB)(辐射效率 11=0．5)，回波损耗 S =一31．77(dB)(VSWR =1．05)，阻抗匹配良好，系统带 宽 Bf=1．5％(以S11≤ 一14 dB标准为参考)，天线主平面尺寸 18．2 cm ×13．2 cm，天线各项设计指 标达到预定的工程设计要求。 本文所讨论的采用软件仿真验证与优化的方式相比传统实物制作并测试的方式，极大地缩减了现 代天线从设计到调整实现所需的时间和成本，在工程设计上将有着广泛的应用。 [参考文献] [1]Stutzman Warren L，Thiele Gary A．Antenna Theory and Design(Second Edition)[M]，Beijing：POST＆TELECOM PRESS， 2oo6． [2]Bahl I J，Bhartia P．微带天线[M]．北京：电子出版社，1984． [3]谢拥军 ，刘 莹 ，李 磊．HFSS原理与工程应用[M]．北京：科学出版社，2009． [4]张 均，刘克诚，张贤铎．微带天线理论与工程[M]．北京：国防工业出版社，1988． [5]钟顺时．微带天线理论与应用[M]．西安 ：西安电子科技大学出版社，1991． [6]宋旭亮．矩形微带天线设计与阻抗匹配网络[D]．大连：大连海事大学，2008． 【责任编辑：刘长青】 Simulation and Verification of 915 MHz Microstrip Antenna Design Based on HFSS WU Zhi—xiong．WANG Hong (Fujian Polytechnic of Information Technology，Fuzhou，Fujian，350003，China) Abstract：This paper introduces the processes of engineering design and simulation verification of the rec— tangle microstrip patch antenna working in 915 MHz Frequency by using the computer electromagnetic simula— tion software HFSS．The authors first estimate the designing parameters through the classical transmission hne theory，and t}Ien follow the steps of modeling and simulation on the software．Finally，get best results for the de— signing by optimal adjustment，while the antenna achieves its best performance indexes in the condition given out before． Key words：HFSS；microstrip antenna；antenna design ；electromagnetic simulation 8