基于HFSS的小型宽带微带天线的研究与设计

1、文章编号:1003-1251(2010 03-0051-04基于HFSS 的小型宽带微带天线的研究与设计惠鹏飞, 夏 颖, 周喜权, 王艳春(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院, 黑龙江齐齐哈尔161006摘 要:以多输入多输出移动终端天线为研究对象, 针对通常要求移动终端天线应该具有小型化、低抛面的问题, 设计了一种双层宽带矩形微带天线, 采用加短路片方法减小天线尺寸。利用H FSS 仿真建立了天线的物理模型, 得出了方向图、驻波比、轴比等特性曲线, 优化了天线的各项参数。该天线具有体积小、宽频带和低抛面等优点, 可作为无线局域网的移动终端天线, 具有很好的工程应用价值. 关键词:移动终端; 微

2、带天线; H FSS 仿真; 无线局域网中图分类号:TN820 文献标识码:AStudy and Design of S m allW idebandM icrostrip Antenna by HFSSHU I Peng -fe, i X I A Y ing , Z HOU X -i quan , WANG Y an -chun(School of Co mm un ication and E lectron ic Eng i neeri ng , Q iqi h ar Un i versity , Q i q i har 161006, Ch i n aA bstract :To stud

3、y t h e m ob ile antenna o fm ultiple input and mu ltiple outpu, t and to satisfy the de m and for its s m all size and lo w -cast side , a t w o -ti e r broadband rectangu lar antenna is designed , wh ich uses short fil m s to reduce its size . By usi n g HFSS si m u lation , a physical m odel o f

4、an tenna is set up , and so m e specia l curves re lated to patter n, VS WR and ax i a l rati o are obtained, the para m eters of antenna are opti m ized . The antenna designed i n th isw ay has advantages w ith s m a ll size , broadband and lo w-cast side . It can be used as w ireless LAN m ob ile

5、ter m i n al antenna w ith h i g h val u e o f application in eng ineeri n g .K ey words :m obile ter m ina; l m icrostrip antenna ; H FSS si m ulati o n ; w ire less LAN收稿日期:2010-04-19基金项目:齐齐哈尔市科技局工业公关项目(GYGG -090011-2.作者简介:惠鹏飞(1980 , 男, 讲师, 硕士, 研究方向:微波无源.微带天线在实际应用中往往对带宽具有一定的要求, 而在M I M O 移动终端的应用中,

6、 要在移动终端有限的空间内合理布局多天线, 这对天线单元的尺寸提出了更严格的要求。要求在满足一定带宽和辐射效率下, 天线的尺寸应该越小越好1。因此在M I M O 移动终端天线的设计中, 尺寸的减小和带宽的提高是设计者面临的主要挑战。根据微带天线空腔模型理论分析和其它一些文献的研究均表明, 引入短路片或短路销钉使上层金属贴片与金属地板短路能有效降低微带天线的尺寸。但是在微带天线的设计中, 尺寸和带宽是一对相关的参数, 天线尺寸的降低, 天线带宽也必然会随着减低2。本文设计了一种工作于2. 4GH z 的双层微带天线, 其尺寸为19151815314mm 3, 利用三维第29卷第3期 沈阳理工大

7、学学报 Vo. l 29No . 32010年6月J OURNAL OF S H E NYANG L IGONG UN IVERS I TYJun .2010电磁场仿真设计软件H FSS 详细分析了天线的各主要尺寸对带宽和工作频率的影响, 利用宏定义功能对天线的尺寸进行了优化, 得出了优化后的驻波比、轴比、增益和反射系数等特性曲线, 该天线可作为M I M O 移动终端天线。1 微带天线腔模理论微带片和接地板之间的盒形区域可看作谐振腔, 空腔周围4个面可视为磁壁, 上下为电壁, 当其中的一边用金属片短路时, 就不能再视为磁壁。由于理想金属体表面不存在电场的切向分量, 可以将所短接的面视为电壁,

8、 即将原来的4个磁壁中的一个改为电壁。图1为矩形微带贴片天线的场量分布图, 贴片的长度为a, 宽度为b , 介质基板的厚度为h, 介质的相对介电常数为E r 。坐标为(x 0, y 0 的馈源可以用接地板流向贴片的宽度为d 的电流片I 0来表示, 电流密度J z =I 0/d.当用探针馈电时, J z 是探针上的电流; 当用微带线在贴片边缘馈电时, J z 为激励口径上宽度为微带线等效宽度上切向磁场的等效电流3 。图1 微带贴片天线的场量分布空腔内的场可以表示为各本征模7mn 的叠加, 本征函数的解可由齐次标量H e l m ho ltz 方程求得ýt 27mn +k 2mn 7mn

9、 =0(1式中:7mn 为齐次标量H e l m ho ltz 方程的各本征模; k 2mn 为谐振模的截止波数; m =0, 1, 2, , ; n =0, 1, 2, , 。由于x =a 端用金属片短接, H el m ho ltz 方程的边界条件发生改变, 方程的边界条件变为57mn y =0, b=0,57mnx =0=0,7mn |x =a =0,57mn=0(2联立方程(1 和(2 可求得7mn =C mn cos (2m +12a P x cos (nbP y (3 k mn =2a P 2+(bP 2(4式中, C mn 为待定系数。从式(4 可以发现, 当内场工作于主模TM

10、01模时, 沿x 轴方向为1/4波长分布, 相对于传统的半波天线, 这种天线的尺寸明显减少了一半左右。相当于在1/4波长处存在一个电场零点, 在此处将贴片和接地板短接不会影响内场分布。2 矩形微带天线的结构设计基于上面微带天线的腔模理论分析, 采用加短路片的微带天线的谐振频率可以用下面的公式估计4f T4lE r(5式中:c 为光速; l 为矩形微带天线的考虑了边缘效应后的长度; E r 为微波介质片的相对介电常数。由式(5 可知, 提高介电常数可以降低谐振频率, 即等效于固定谐振频率下降低天线的尺寸。但是随着微波介质介电常数的增加, 天线的辐射效率将降低, 即天线的增益将减小。作为为局域网络

11、服务的M I M O 天线, 增益的降低 将会影响网络信号流量。考虑到对增益和尺寸的要求, 微带天线的微波介质选E r =212的Rogers RT 。图2为天线的结构图.图2 天线结构图52沈阳理工大学学报 第29卷各参数说明如下:w g 为天线地板相对低层金属贴片延伸出的宽度; w 为金属片和寄生金属片的宽度; h 1为金属片离地面的高度; h 2为寄生金属片与下层金属片的距离; l 1和l 2分别为金属片与寄生金属片的长度; f x 和f y 分别为馈电点与辐射金属片边沿的距离。3 HFSS 仿真设计及参数优化利用H FSS 进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初

12、值、运行仿真、参数调整优化等步骤。在进行计算机建模之前, 需要经过详细的理论分析过程, 利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据, 理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。对于H FSS 的优化来讲, 一般应将参数扫描设置取消, 在HFSS 中设置的变量包括全局变量和本地变量, 前者影响到整个设计中的各个步骤, 后者只影响到当前设置的项目。利用H FSS 对天线尺寸进行优化需要如下步骤:(1 取消扫描设置; (2 将模型中的W 和L 参数转换成Opti m izati o n 变量; (3 添加优化设置; (4 添加C ost 函数; (5 修改变量

13、的起始和中止值; (6 Genera l 项目的设置, 该步骤属于解算方式设置; (7 执行优化分析; (8 观察优化结果。对于2. 4GH z 双层微带天线的设计, 为了在小尺寸条件下提高天线的带宽, 增加了寄生金属贴片叠加于原有金属贴片上面, 且寄生金属片与原有金属片共用一个短路片与地面项链, 寄生金属片的增加从而引入第二谐振频率。当通过调整各贴片的大小和与地板距离, 使第二谐振频率靠近第一谐振频率, 然后选合适的馈电点, 从而可以达到提高带宽的目的。在H FSS 电磁场仿真设计环境里所建立的同轴探针馈电微带天线如图3所示。根据式(5 可以初步选择分别为20mm 和19mm, 为1mm,

14、为2mm , 为18mm, 地板各边沿比金属长10mm, 在此尺寸下, 在保障总高度小于4mm 的情况下, 按照HFSS 优化功能的8项步骤进行优化, 最终各项优化参数结果如下:w g = 39图3 贴片天线H FSS 物理模型h 1=110mm 、h 2=115mm 、f x =7mm 、f y =4mm 。图4为优化后的天线的驻波比。图4 优化后的驻波比曲线由图4可见在2. 3652. 490GH z 频段内天线的VS WR<2, 其VS WR <2的带宽约为130MH z , 完全包含IS M 2. 4G 频段。图5为天线远场的轴比。图5 天线的轴比图由图可见在主辐射方向E

15、面轴比大于20dB , 交叉极化弱; 但在H 面当辐射角大于60b 时, 轴比小于15dB , 交叉极化比E 面差。53第3期 惠鹏飞等:基于H FSS 的小型宽带微带天线的研究与设计图6为在优化参数的情况下, 改变地板的大 小后天线的仿真结果。图6 VSW R 与的关系 由图6可见, 当地板相对于金属片延伸宽度为10mm 以后, 改变地板的大小对天线的带宽影响不大, 但是当地板相对于金属片的延伸宽度小于10mm 时, 因为边缘效应的原因, 地板的减小将降低天线的带宽。图7为在优化参数的情况下, 改变寄生金属片与地板的距离后的仿真结果。 图7 VSW R 与的关系由图7可见, 以2. 6mm

16、为界限, 当距离小于该值时, VS WR <2的频段在缩小且在向低频段移动, h 2的值越小, VS WR <2的频段向低频移动越大, 说明寄生金属片与低层金属片之间的耦合处于欠耦合状态; 同样, 以2. 6mm 为界限, 当距离大于该值时, VS WR <2的频段在缩小且在向高频段移动, h 2的值越大, VS WR <2的频段向高频移动越大, 说明寄生金属片与低层金属片之间的耦合处于过耦合状态。因此在h 1固定后合理调整h 2的值, 能获得最佳耦合状态, 取得最大的带宽。图8为反射系数曲线。图8 S11曲线图9为天线全向增益方向图。图9 全向增益方向图由S11曲线可

17、知在中心频率2. 4GH z 附近, 反射系数衰减迅速, 存在一个负方向的峰值, 反射系数衰减超过-28dB , 这表明天线的功率效率较高。天线最大估值增益达6dB , 天线的辐射方向为z 轴方向, 即垂直金属贴片的方向, E 面和H 面方向图基本相同, 满足设计要求。在无线局域网M I M O 多用户系统中, 发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线 和多通道, 通常M I M O 移动终端对天线单元的尺寸要求严格, 要求在满足一定带宽和辐射效率下, 天线的尺寸应该越小越好。本文提出的小尺寸、低抛面的微带天线特别适合M I M O 移动终端的要求。在工程实施过程中, 可以采用单天线的形式, 也

18、可以组成阵列的结构, 这取决于终端的辐射功率和距离。对于工作在不同频段的M I M O 移动终端设备, 可以考虑调整天线的尺寸来满足实际要求。(665 结论1 考察了玉米秸秆在15K /min 、25K /min 、30K /mi n 升温速率下的热解过程。2 采用遗传算法对不同升温速率下的热解过程进行模拟, 重点分析了15K /mi n 下计算数据和实验数据的拟合情况, 其分布活化能标准值为185. 43KJ/mol 、标准偏差为15. 78K J/mo l 、指前因子为3. 34108s -1、线性相关系数为0. 9983. 3 通过对实验数据和模拟数据的相关性分析以及遗传代数和目标函数值

19、的分析, 说明遗传算法对生物质热解过程的描述具有准确性大、精确度高、计算方便、能处理复杂的目标函数等优点。参考文献:1匡廷云, 白克智, 杨秀山. 我国生物质能发展战略的几点意见J.化学进展, 2007, 19(7:1060-1063.2王泽, 林伟刚, 宋文立. 生物质热化学转化制备生物燃料及化学品J.化学进展, 2007, 18(8:1190-1197.3胡荣祖, 史启祯. 热分析动力学M .北京:科学出版社,2001.4李余增. 热分析M.北京:清华大学出版社, 1987.5Taro Sonobe . K i n eti c anal yses of b i omass pyrol ys

20、is u si ng the d is -tri bu ted activation energy m od el J.Fue, l 2008, 87:414-421. 6Jun m eng , Ca. i Pattern search m ethod f or det er m i nati on of DAE Mk i netic para m eters fro m non i sot h er m al TGA data of b io m assJ.Journ al ofM at h e m ati calCh e m istry , 2007, 42(3:547-552. 7Jun

21、 m eng Ca, i Fang H e . Nonisot her m al nth-order DAEM equa -ti on and i ts p aram etric st udy -u s e i n the k i n eti c ana l ysis of b i o -m ass pyrolys i sJ.J ou rnal ofM at h e m ati cal Che m istry , 2007, 42(4:949-957.8宋春财, 胡浩权. 秸秆及其主要组分的催化热解及动力学研究J.煤炭转化, 2003, 26(3:92-96.9李森, 荆冬锋. 生物质热解的分布活化能模型J.农机化研究, 2006, (8:131-134.10左金琼. 热分析中活化能的求解与分析D.南京:南京理工大学, 2007.11雷英杰, 张善文, 李续武. M ATLAB 遗传算法工具箱及应用M.西安:西安电子