HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 23

76 Ansoft2004 年用户通讯 HFSS 在双频天线极化分集技术中的应用 HFSS 在双频天线极化分集技术中的应用 任武 温源 薛正辉 李伟明 北京理工大学电磁兼容与微波系统实验室 北京 100081 摘要摘要 双频带印刷振子天线选择双 T 单极天线作为模型 将其极化分集到规定大小的 FR 4 的介质板 上 通过 HFSS 仿真分析对分集后两个天线之间的影响 天线顶端水平带加载螺旋线对 5GHz 频带的影响 等方面进行了研究 关键词关键词 极化分集 双频带印刷振子天线 电压驻波比 VSWR 一 概述 一 概述 当前 Bluetooth HomeRF 和IEEE802 11b选用ISM Industrial Scientific Medical 2 45GHz作为它们的通信频段 随 着无线通信技术的迅猛发展 为了更高的数据传输率 IEEE802 11a采用了 5 15 5 35GHz作为新的通讯频段 同时 它们 都不约而同地对天线提出了低成本 小尺寸 易匹配等要求 使得平面印刷天线的形式层出不穷 现有天线形式有平面印 刷偶极天线 1 印刷双T单极天线 2 及平面倒F天线 PIFA 3 4 等多种天线形式 本文是针对下面提出双频带极化分集天线要求 利用 ANSOFT 公司的 HFSS 进行的一些分集技术研究 天线要求 1 采用 FR 4 介质板 天线印刷在电路板上 以便于天线集成到 PCMCIA 上 2 天线双频带 2 4GHz ISM the 802 11a 5 GHz 3 天线极化为线极化 要求天线极化分集 4 要求在 1 规定的频带内 Return Loss 10dB 针对提出的双频带极化分集天线要求 采用文 2 中提到的印刷双 T 单极天线形式 首先对印刷双 T 单极天线进行 优化 然后将优化后的天线采用极化分集的形式集成到规定大小的 FR 4 介质板上 由于天线分集和接地板大小的变化 天线的谐振频率 带宽及辐射方向图发生了一定的变化 通过调整底板的形状及大小 通过在天线的辐射臂增加螺旋线的 多种措施来调整天线的各项参数 并得出了一定的变化规律 二 双频带印刷振子极化分集天线介绍 二 双频带印刷振子极化分集天线介绍 W1 W L l1 l1 l2 l22 W3 h1w2 h2l1 Wf 图 1 双频带印刷振子极化分集天线几何模型 如图 1 所示 以右边天线为例 这种新奇的双 T 单极天 线形式如同两个 T 形结构的单极天线叠加在一起 这种天线 结构很容易用 50 微带线进行馈电 在这种天线的设计中 较 大的T形是由在中心的垂直带 宽W 长h1 和在顶端的水平带 宽 W1 长 2l1 W 组成 这个较大的 T 形结构来实现 2 4GHz 的 ISM 频段 同样较小的 T 形是由在中心的垂直带 宽 W 长 h2 和在底端的水平带 宽 W1 长 l21 l22 W 组 成 这个较小的 T 形结构来实现 5GHz 的 802 11a 频段 l21 和 l22 长度的不同可以在 5GHz 的频带内展宽带宽 左边天 线和右边天线共用相同的地板并印制在 FR 4 介质板上 左 右天线负责各自的极化方向以实现极化分集 三 集成到 PCMCIA 上的双频带印刷天线极化分集技术的仿真分析 三 集成到 PCMCIA 上的双频带印刷天线极化分集技术的仿真分析 将优化后的双 T 单极天线极化分集到小的介质板上 几何模型如图 1 所示 其中 W 49mm L 27mm 以右边的天 线为例 利用 ANSOFT 公司的 HFSS High Frequency Structure Simulator 进行天线的仿真分析 1 左边天线对右边天线左边天线对右边天线 VSWR 的影响的影响 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 77 a 印刷振子极化分集天线仿真模型 b 印刷振子极化分集天线右边天线 VSWR c 去掉左边天线后 右边天线的 VSWR d 左边天线向上移动变化 右边天线的 VSWR 图 2 印刷振子极化分集天线左边天线对右边天线 VSWR 的影响 如图 2 b 所示 仿真分析结果显示在天线极化分集到小的介质板上以后 右边天线的 2GHz 和 5GHz 的频带仍然存 在 只是 5GHz 的频带发生了向上的偏移 同时产生了 3GHz 的一个新的频带 图 2 c 仿真结果表明在去掉左边天线后 右边天线 2GHz 和 5GHz 对应的频带基本不变 图 2 b 中新的 3GHz 的频带消失了 通过两幅图的比较可以确定 右边天 线 3GHz 频带的产生是由左边天线引起的 图 2 d 是研究去掉左边天线微带线 右边天线随左边天线向上移动 1 3 5 7mm 时 VSWR 的变化情况 从仿真结果比较可以看出 移动左天线后所对应的 VSWR 曲线在整个频带内基本重合在一起 因而 左边天线沿 Y 轴向上移动 对右边天线的 VSWR 影响很小 2 天线顶端水平带加载螺旋线对天线顶端水平带加载螺旋线对 5GHz 频带的影响频带的影响 如图 3 a 所示 顶端不加载的情况 天线在 5GHz 的谐振频率在 5 7GHz 在天线辐射臂顶端加载后谐振频率为 5 2GHz 如图 3 b 所示 通过仿真分析 在天线的辐射臂顶端加载可以起到对天线在 5GHz 的谐振频率向下搬移的作用 这样 很好的满足了设计要求 同时 在天线辐射臂顶端加载可以加强在 5GHz 频带内天线辐射的均匀性 即减小天线的方向性 系数 这在室内环境中是非常有利的 a 加载前 b 加载后 图 3 加载螺旋线对 5GHz 频带的影响 Partners In Design 78 Ansoft2004 年用户通讯 3 测试结果测试结果 图 4 双频带印刷振子天线实物图 图 5 右天线实测 Return Loss 根据仿真分析后的结果 双频带印刷振子天线被印制在电路板上 如图 4 所示 图 5 是应用网络分析仪测试右天线的 结果 和图 3 b 比较 可以看出实际测试和仿真的结果比较吻合 谐振频率在 5 2GHz 带宽满足设计要求 四 结论四 结论 本文通过 HFSS 对双频带印刷振子天线极化分集技术的研究 为双频带极化分集天线的设计 测试及制作提供了很好 的参好依据 同时测量和仿真的结果比较吻合 节约了设计的时间和成本 也证明了利用 HFSS 软件进行天线设计是一套 行之有效的方法 参考文献参考文献 1 Huey Ru and Liang chen Kuo 3 D FDTD design analysis of a 2 4 GHz polarization diversity printed dipole antenna with integrated balun and polarization switching circuit for WLAN and wireless communication applications pdf IEEE Transactions on Microwave and Techniques vol 51 no 2 February 2003 2 Yen Liang Kuo and Kin Lu Wong Printed double T monopole antenna for 2 4 5 2 GHz dual band WLAN operations IEEE Transaction on Antenna and Propogation vol 51 no 9 Semte