HFSS - WLAN双频单极子天线设计与仿真

一、设计指标

  • 中心频率:高频5.49GHz 低频2.45GHz
  • 相对介电常数:3.38
  • 介质板厚度:1.52mm

二、双频偶极子天线设计

在本节中,我们设计一个L形结构的微带线单极子天线,天线工作于IEEE 802.11a和802. 11b两个工作频段。IEEE 802. 11a标准于1999年制定完成,该标准规定无线局域网工作频段在5. 15GHz ~ 5. 825GHz,中心频率约为5. 49GHz。IEEE802.11b 标准是对IEEE 802. 11的一个补充,于1999年9月被正式批准,该标准规定无线局域网工作频段在2. 4GHz ~ 2.4825GHz,中心频率约为2. 44GHz。
下图所示为设计的微带双频单极子天线的结构模型,整个天线结构大致分为5个部分,即介质层、高频(5GHz) 单极子天线、低频(2. 4GHz)单极子天线、微带馈线和参考地。
在这里插入图片描述
介质层的材质使用Rogers RO4003, 其相对介电常数 ε r \varepsilon_r εr=3.38,损耗正切tan δ \delta δ =0.0027,介质层厚度为1.52mm。介质层的下表面是单极子天线的参考地,介质层的上表面是微带馈线和单极子天线。其中,左侧的L形结构是高频单极子天线,工作于IEEE802.11a频段,即工作频率为5.15GHz~5.825GHz,右侧的L形结构是低频单极子天线,工作于IEEE 802.11b频段,即工作频率为2.4GHz ~2.4825GHz。
设计天线工作于2. 45GHz和5.49GHz两个频段,若在自由空间中传播,那么这两个频率对应的波长分别为122mm和55mm。若在全部填充介电常数为3.38的Rogers RO4003介质中传播,那么其对应的波长分别为66.4mm和30mm。对于2.45GHz的中心频率,若采用自由空间波长,则1/4波长单极子天线的长度为30.5mm;若采用介质中的波长,则1/4波长单极子天线的长度为16. 6mm。对于5. 49GHz的中心频率,若采用自由空间波长,则1/4波长单极子天线的长度为13. 8mm;若采用介质中的波长,则1/4波长单极子天线的长度为7.5mm。对于PCB板上的微带单极子天线,波的传输既要经过介质也要经过自由空间,因此实际波长应该介于介质的导波波长和自由空间的工作波长之间。而对于2.45GHz工作频段,1/4波长介于16. 6mm ~ 30.5mm;即对于5. 49GHz工作频段, 1/4 波长介于7.5mm~ 13.8mm。
为了便于后续的参数化分析,即分析天线的各项结构参数对天线性能的影响,在HFSS设计建模时需要定义一系列的变量来表示天线的结构,使用变量表示的单极子天线参数化设计模型如图所示。
在这里插入图片描述

其中,定义的变量名称、代表的结构参数以及变.量的初始值如下表所示。

变量意义变量名变量值(单位:mm)
介质层厚度H1.52
微带馈线宽度S3.5
微带馈线长度L14
单极子天线金属片宽度W2
高频单极子天线水平方向长度L14.25
高频单极子天线垂直方向长度L27
低频单极子天线水平方向长度R110.25
低频单极子天线垂直方向长度R223

三、HFSS建模

本次求解类型(Solution Type)选用终端(Teminal)驱动类型。在HFSS中对于微带结构的天线,既可以选择模式(Modal)驱动求解类型,也可以选择终端驱动求解类型。
参照上表在HFSS中添加变量如下:
在这里插入图片描述
此次设计中所选用的相对介电常数为3.38的材料在HFSS中并没有预先设定,需要自行添加新的介质材料。从主菜单栏中选择【Tools】→【 Edit Libraries】 →【 Materials】命令,打开Edit Libraries 对话框,然后点击添加按钮【Add Material】,在材料添加界面修改如下材料名称、相对介电常数、损耗角正切值三项。

使用上述添加的材料作为介质板建立模型,建立完成后的模型如下所示:
在这里插入图片描述
在该求解驱动类型下,设置激励的方法有别于以往的模式驱动求解。首先添加矩形将GND与微带线相连接。如下橙色矩形所示。
在这里插入图片描述
选中该矩形后右键单击,选择分配边界(Assign Excitation)、集总端口(Lumped Port)。弹出如下窗口,在参照中勾选GND
在这里插入图片描述
再在工程树下分别双击集总端口激励名称和终端线名称,确定端口阻抗为50 Ω \Omega Ω
在这里插入图片描述

四、仿真与优化

回波损耗结果如下
在这里插入图片描述
从分析结果中可以看出,在IEEE 802.11a (即5.15GHz ~ 5.825GHz)频段内, S 11 S_{11} S11小于- 14dB;在EEE 802.11b (即2.4GHz ~ 2.4825GHz)频段内, S 11 S_{11} S11大于-10dB,不满足性能要求。其原因是低频段单极子天线的长度偏长,导致谐振频点偏低。因此我们可以调节天线的长度变量R2,使得天线的谐振频点落在2. 4GHz ~ 2. 4825GHz频段内。
借助HFSS的参数扫描分析功能,来分析长度变量R2和天线谐振频率的关系,找出合适的长度变量R2的值,使得天线在低频段的谐振频点落在2.4GHz ~2.4825GHz频段内。
在参数扫描器中添加R2,如下所示,设置范围为18mm~23mm,步长为1mm。
在这里插入图片描述
扫描结果如下
在这里插入图片描述
从参数扫描分析结果中可以看出,谐振频率随着天线臂长度变量R2的变短而升高。当R2= 19mm时,谐振频率约为2. 45GHz,因此R2的值可以取19mm。
修改后的仿真结果如下:
在这里插入图片描述
可以看出,设计的双频单极子天线的高频和低频谐振频点分别落在IEEE 802. 11a(5.15GHz ~5.825GHz)和IEEE 802. 11b (2. 4GHz ~2.4825GHz)工作频段上。
至此,我们便完成了WLAN双频单极子天线的HFSS设计分析。

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