基于hfss的超宽带天线的仿真设计

基于HFSS的超宽带天线的仿真设计

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2014年06月

基于HFSS的超宽带天线的仿真设计 摘 要:超宽带通信技术以其高速率、抗多径效应和低成本等一般窄带系统无法比拟的优势成为最具竞争力和发展前景的技术之一。作为系统的重要组成部分，超宽带天线的设计引起了越来越多的关注。与传统的宽带天线相比，超宽带天线的设计更具有挑战性，这是由于天线除了需要具有超宽的工作频带(3.1GHz-10.6GHz)，还要能够保持尺寸的紧凑,价格的低廉,并且易于与平面大规模电路集成。同时，由于在超宽带频段中还存在着一些窄带通信系统是使用的频段，因此，这就要求尽量避免潜在的电磁干扰。本文主要基于HFSS仿真及分析超带宽天线。

关键词:HFSS 超宽带天线 电磁干扰

1、 超宽带天线的特点以及研究背景

无论是军事通信还是民用通信都对天线的宽频性提出了更高的要求，特别是UWB通信中，要求天线的带宽达3.1GHz-10.6GHz。在超宽带天线的应用中，要求天线具有尺寸小，便于集成等特性。因此，设计出能够与射频通信电路集成的平面微带天线就成为本文的主要研究目标。此外，在FCC规定的3.1GHz-10.6GHz频段中，还存在的IEEE 802.16 Wimax系统(3.3GHz-3.6GHz)、C波段卫星通信系统(3.7GHz-4.2GHz)、IEEE 802.11bWLAN/HIPERLAN系统(5.15GHz-5.825GHz)。因此，如何解决这些已经存在的系统与UWB 频段的电磁兼容问题，是本文研究的一个重中之重。超宽带天线因为其频带特别宽，容易受到频带范围内其它窄带 信号的干扰，如果窄带信号的所在的固定频率已知，那么可以用射频滤波技术来滤除这些干扰信号。假如一个超宽带接收机，同时兼有高功率的窄带系统，高功率的窄带信号就会对超宽带接收机的信号进行干扰。有时候希望把超宽带天线和具有高灵敏度的窄带接收机结合在一起，这样在一定环境里，超宽带系统就容易受到窄带接收机的干扰。有一些情况下，希望超宽带系统对需要的某个或几个窄带信号不灵敏，还有的情况就是想要滤除掉频带中的干扰信号。

在军事领域中，为了实现保密通信和清除干扰，多频段、多功能电台和宽带跳频电台被广泛的应用。跳频速率越来越高，跳频的范围也越来越广，原有的窄带天线己无法满足要求。另外，狭小的空间内分布多副天线，相互之间的干扰较为严重，并且影响通信质量。为了解决上述矛盾，最有效的解决办法就是研制高性能、宽频带、小型化天线，以减少载体上天线的数目。

在民用通信系统中，无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相对应的是通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初的点对点或一点对多点发展到移动和全球漫游。天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有着重要的现实意义。

2、 天线的重要参数

2.1 辐射方向图

辐射方向图f (θ ,? ):以天线为中心，辐射功率密度随角坐标变化的特性。定向的单波束或者多波束用于点对点通信或者一点对多点通信;全向(在一个指定平面内有均匀辐射特性)波束用于广播电视等场合;赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定区域的情况。在某一特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为:

,jkreE，，，，rkf,,,,,,,, (2-1) r 其中为天线的方向性函数，用图形表示出来即天线方向图。 ，，f,,,

2.2 天线的增益

天线的增益:天线的增益是指在相同的输入功率下，某天线产生于某点的电场强度的平方

22，，E与无损耗理想点源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值，称为该天线在该点，，Emax

方向的增益。

2.3 天线的带宽

天线的带宽:天线总是在一定频率范围内工作，在该频率范围内，一个或者一组选定的天线参数的变化不超出可以接受的允许值。天线有多种形式的带宽，方向图带宽、增益带宽和输入阻抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。在超宽带天线研究领域，天线带宽始终是一个重要参数。

(2-2) BW,ffhl

式(2-2)常用在在超宽带领域中。

2.4 驻波

天线的电压驻波比VSWR(voltage standing wave ratio)定义为传输线上最大的电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值(VSWR=Umax/Umin)。当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗Z 0 =50,不匹配时，便在传输线上形成驻波。驻波比表明天线传输线之间阻抗的失配程度。驻波是由于传输到天线输入端的入射波能量未被全部吸收(辐射)、产生反射波，迭加而形成的。当驻波等于1 时，系统完全匹配，工程中不太可能实现;当驻波小于1.5 时，系统匹配优良;当驻波小于2 时，系统匹配良好;当驻波小于3 时，系统匹配程度基本满足要求;当驻波大于3.5 时就被认为匹配比较差。在电子战设备中，单个天线或天线阵列的输入电压驻波比VSWR 小于2.5 最为常用;对于窄带天线，其驻波特性VSWR 小于1.5;对于超宽带天线，一般要求其驻波特性VSWR小于2。

3、 有限元法(FEM)

有限元法的数学处理方法是在1943年由Courant 所提出来的，直到1968年才用于电磁场的数值计算问题。有限元法是建立在变分基础上的，其基本构想是将由偏微分方程表征的整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。这些基函数在各自的单元内解析，在其他区域内为零，这样可以用分片解析函数代替全域解析函数。对于二维问题，单元的划分可以取三角形、矩形等，其中三角形单元适应性最广;对于三维问题，单元可取作为四面体、六面体等等，其中四面体应用更加灵活。Ansoft 公司的HFSS 软件就是选取四面体作为空间单元。

有限元法在每个单元中规定合适的基函数，由于相邻单元有公共结点，在该结点上有唯一的函数值，因此分片解析函数通过这些单元间的公共顶点联系起来，拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价便可化为代数方程求解。

有限元法的优点在于:有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、激励的广泛适应性;有限元法基于变分原理，将数理方程求解变成代数方程组的求解，因此非常简易;有限元法采用矩阵形式和单元组装方法，其各环节易于标准化，程序通用性强，且有较高的计算精度，便于编制程序和维护，适宜于制作商业软件。

当前，使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件主要是:Ansoft HFSS。 4、

超宽带天线的设计

2002 年，美国联邦通信委员会( FCC) 正式允许将超宽带( UWB) 技术应用于民用领域，并指定了3.1 到 10.6GHz 作为 UWB 的工作频段，由此可以全部覆盖频段范围的 UWB 天线成为一种新颖的天线类型。然而在 UWB 频段内同时伴随着许多窄带无线通信系统，如 IEEE 802( 11b/g/n 标准下 WLAN工作频段 2.4到2.483 5 GHz，IEEE 802(11a 标准下WLAN 工作频段 5.15到5.825 GHz，WiMAX

工作频段3(4到 3.69 GHz、5.25 到5.850 GHz，为避免 UWB系统与这些窄带无线通信系统的干扰，可在天线装置前端引入带阻滤波器，但是在系统的体积、复杂度和阻抗匹配等方面都会引入不同程度的问题，因此直接在 UWB 天线的基础上设计出具有陷波特性的天线结构显得尤为重要。目前常用的陷波方法是在微带辐射贴片或接地板的适当位置处开不同形状的缝隙，如 U 形缝隙、L 形缝隙、弧形缝隙等。

4.1 天线的馈电方式

平面天线的馈电方式主要有微带线馈电、共面波导馈电和同轴线馈电等等。用微带线或共面波导馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便地进行光刻。但此时馈线本身也要辐射，从而干扰方向图，使得增益降低。为此，用微带线馈电时，一般要求微带线宽度不能太宽，希望远小λ，这就要求平面单极天线的特性阻抗值要高些，或者基片厚度相对较小，介电常数大些。在理论计算中，微带馈线可等效为沿z轴方向的一个薄电流片，其背后是空腔磁壁。为计入边缘效应，此电流片的宽度要比微带馈线的宽度宽(取有效宽度)。微带线馈电点位置的不同将决定贴片激励哪种模式的波。当天线元的尺寸确定以后，可按下法进行匹配:先将中心馈电的天线贴片同50欧姆的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出匹配变阻器;再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器。本文的研究中应用了共面波导的馈电方式。

共面波导的结构如图4-1所示，是在介质基片的一个表面上制备三条金属带而构成，中间宽为w 的金属带为信号带，两边金属带同时接地。它可用光刻工艺制作，且容易与其他无缘微波电路和有源微波器件连接，实现微波电子系统的小型化、集成化。共面波导馈电比微带来说好处很多，共面波导容易制作、容易和无源或有源的表面贴装元件实现串联或者并联连接、不需要过孔、辐射损耗小、相互之间的串扰小，并且共面波导的特性阻抗是由中间导带宽度和缝隙之比决定，可以自由设计其尺寸。共面波导传输线相对常规微带线来说，具有辐射损耗小、易于和其他元器件串并连接、提高电路集成度的优点。随着通信的发展，需要一 种成本低、易于加工且便于和微波电路集成的天线，显然共面波导馈电的天线符合这一要求。共面波导传输的波是TE 波。

图 4-1

4.2 超宽带天线的设计

UWB 天线结构如图4-2 所示，介质基片厚度 h为 0.5 mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02

设计了基本的超宽带天线后，为了抑制Wimax和C 波段通信的3.3-4.2GHz这个窄带通信频段，我们根据目前比较常见的方法——U形和折叠式贴片开槽的办法来设计阻带，阻带的中心频率位于3.69GHz和5.82GHz。对U形和折叠式槽线的参数进行了优化。由于阻带的宽度由U形槽和折叠式槽线的宽度决定，所以我们根据辐射单元尺寸的限制首先确定了槽的宽度0.3mm。 4.2.1 天线的回波损耗和驻波

它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。图4-2所示为扫描的天线的回波损耗。

图4-2

图4-3为天线的驻波图:

图4-3

由图4-3可以看出天线实现了双频缺陷的特性，抑制了窄带频率的干扰，具有良好的抗干扰特性，满足了设计的要求。

4.2.2 天线的辐射特性

我们分别在频率为4GHz、6GHz和9GHz时，仿真了天线辐射的远区场方向图(如图4-4所示)。在低频4GHz、6GHz，天线在x-z平面(H面)具有良好的全向辐射特性，并且方向图在x-y平面以及y-z平面(E 面)也是对称的，这是由于低频段的工作波长远远大于天线的尺寸，天线的电长度小，电流分布较规则，所以辐射较