基于HFSS的多频段天线仿真与设计

华 艳 任洁心 甄安然扬州大学信息工程学院华艳（1995-）女，扬州大学在读本科生，专业为通信工程；任洁心（1995-）女，扬州大学在读本科生，专业为电子信息工程；甄安然（1992-）女，扬州大学在读硕士研究生，研究方向为信号与信息处理。基金项目：扬州大学大学生科技创新基金资助



基于HFSS的多频段天线仿真与设计

华 艳 任洁心 甄安然
扬州大学信息工程学院
华艳（1995-）女，扬州大学在读本科生，专业为通信工程；任洁心（1995-）女，扬州大学在读本科生，专业为电子信息工程；甄安然（1992-）女，扬州大学在读硕士研究生，研究方向为信号与信息处理。基金项目：扬州大学大学生科技创新基金资助

本文针对在无线通信技术行业飞速发展的前提下，用户对移动数据设备特别是智能手机的要求越来越高，即手机天线的带宽以及频段的问题，提出了一种由三个U型槽组合成的多频微带贴片天线模型。为多频段天线的设计与制造拓展了思路。

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本文基于HFSS三维电磁仿真软件，设计了一款可覆盖日常手机所用频段的天线。通过对该天线模型的仿真设计及参数优化，可得该天线在0.94GHz，1.80GHz，2.45GHz和3.12 GHz频段时性能较好，主要表现为回波损耗较小，驻波系数均小于2，增益较大。分析结果表明该天线可作为5G手机天线。

当今世界，无线通信技术行业飞速发展，移动数据设备特别是智能手机的发展和普及极大的方便了人们的生活。智能手机除了具备传统手机的功能之外，还可以根据用户自身需求，安装各种功能的应用软件，这实现了掌上实时处理个人业务的目标。手机本身被赋予了越来越多功能的同时，也导致人们对手机性能的要求不断提高，例如要求更高的数据传输率，更好的数据传输质量和更大的系统容量，这些要求均需要手机天线拥有较大的带宽以及尽可能覆盖到所有常用频段；同时手机外观的设计不断融入时尚和美感的元素，这使得设计天线时尺寸受到限制。

在本文中，利用Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator）三维电磁仿真软件设计出了一款全向微带贴片天线，该天线具备三条主功能贴片，且各贴片均为可单独工作于特定频率范围的微带天线，通过此三个贴片天线间的耦合作用，形成一款拥有多频段且小型化的天线。该天线由多天线组合共同完成手机天线的收发功能。可以根据手机所处的状态，通过控制该天线的相位，自适应的调整天线收发状态，即可以在不同频段和不同辐射相位之间自由切换。当手机需要接收信号时，则可以通过控制天线相位，使其处于全向辐射状态；而当手机需要发送信号时，则依旧通过控制天线相位，使其处于定向辐射的状态。这种定向与全向之间的切换，不仅能使天线满足接收与发射的双重功能，具有较强的外部适应能力，还做到了尽可能的减少对人体的辐射影响。

多频段天线耦合原理

为了满足单个天线小型化和多频段的要求，可采用微带天线开槽技术，通过不同的尺寸槽，实现多频点的要求。以矩形贴片为主的微带天线，其基本原理是传输线理论，故可根据传输线理论推算出大致的工作频率，微带天线的传输线模型原理如下图1所示。

对于工作频率为f的矩形微带天线，可以得出工作波长为λ，假定介电常数为ε，则可以通过（1）式设计出高效率辐射贴片的长度L和宽度W：

两个天线间的耦合效果，一方面要尽可能实现双天线的工作频段的拓宽，另一方面也要实现单个天线中不利的因素相互抵消，减少对人体的辐射影响。选取合适的多个窄频区天线组合在一起，通过调节各天线间的阻抗匹配关系，可以形成新的天线。若阻抗匹配较好，新天线的带宽可能会大于各个天线之和，这使得天线的带宽得到了延拓。

图1 微带天线的传输线模型原理

图2 U形开槽PIFA天线

为了实现天线的多频段工作，本文采用开槽的方式来实现多频段。开槽方案又有多种选择，其中最常使用且比较简单的是L形和U形开槽，本文我们采用U形开槽。U形开槽的PIFA天线辐射金属片如图2所示，开槽改变了电流路径，形成了两个相对独立的电流回路，达到了PIFA天线在两个频段工作的目的。长度为L1、宽度为W1的矩形金属片作为辐射元1，产生低频谐振频率f1；长度为L2、宽度为W2的矩形金属片作为辐射元2，产生高频谐振频率f2。谐振频率fr的估算公式为：

上述估算公式仅具有指导意义，在实际设计中，天线的谐振频率会受到图2中L1、W1、L2、W2、G1、G2和t1等多个参数的影响，需要多次调试才能达到理想的性能。

多频天线参数设计

设计要求该多频天线工作于GSM900频段（880～960MHz）、DCS1800频段（1710～1880MHz）和Bluetooth（蓝牙）WLAN频段（2400～2484MHz）。天线结构可分为接地板、贴片、短路片和同轴馈线，其中接地板、贴片和短路片的材质都是铜，贴片和接地板之间采用泡沫支撑。接地板位于最下方，根据式（1），可计算出其长度和宽度为160mm和160mm。为了使天线有足够大的带宽，天线高度取10mm。 辐射贴片位于最上方，根据公式（2），谐振频率为0.9GHz时贴片的长度和宽度分别取55mm和25 mm。根据公式（2），谐振频率为1.8GHz和2.4GHz 时U形槽的尺寸如下表所示。

表1 1.8GHz和2.4GHz时U形槽的尺寸

图3 多频天线模型图

图4 多频天线模型俯视图

图5 回波损耗S11与频率的变化曲线

图6 电压驻波比VSWR与频率的变化曲线

多频天线仿真结果及性能分析

经过HFSS三维电磁仿真软件进行天线的尺寸改进和参数优化，得到的结果如下：介质基片长度和宽度为120mm 和120mm；介质基片厚度为10mm； 辐射贴片的长度和宽度为55mm和21 mm；U形槽1的长度和宽度为32mm 和14mm；U形槽2的长度和宽度为28mm和6mm；同轴馈电点距辐射贴片中心为26mm。并且再增加一个U形槽3，其长度和宽度分别为24mm和2mm。修改后的天线模型如图3、图4所示。

通过HFSS三维电磁仿真软件进行多频天线的分析，验证各项参数的准确性和方案的可行性，得到的分析结果如下。

由图5中端口回波损耗S11扫频的结果可知，谐振频率为0.94GHz时，回波损耗为- 11.4494dB，谐振频率为1.80GHz时，回波损耗为- 21.7335dB，谐振频率为2.45GHz时，回波损耗为- 13.7215dB，谐振频率为3.12GHz时，回波损耗为- 14.5984dB，满足天线的工作频点处的S11参数要小于- 5dB的要求。并且从试验中我

们发现谐振频率会随着L的增加而降低；改变1/4波长阻抗转换器的宽度W，不会改变天线的谐振频率，但可以改善其S11值，达到最佳匹配性能。

由图6中电压驻波比VSWR与频率的变化曲线的结

果可知：谐振频率为0.94GHz时，VSWR=1.7309，谐振频率为1.80GHz时，VSWR=1.8495，谐振频率为2.45GHz时，VSWR=1.5109， 谐振频率为3.12GHz时，VSWR=1.4577。

从图7中可以看出，天线在0.94GHz时，输入阻抗为（32.5-j13.9）Ω，谐振频率为1.80GHz时，输入阻抗为（56.9-j5.4）Ω，谐振频率为2.45GHz时，输入阻抗为（32.9+j0.5）Ω， 谐振频率为3.12GHz时，输入阻抗为（19.3+j54.2）Ω。

天线在2.45 GHz 时 xz 截面和 yz 截面的增益方向图如图8所示。

从表2中可以看出，天线在四个频点处有较好的回波损耗参数，驻波比参数也较理想。

图7 输入阻抗随频率的变化结果

图8 2.45 GHz时的增益方向图

表2 驻波比/回波损耗测试参数

结束语

本设计利用两个天线间的耦合作用，设计出一种可以同时工作在0.94GHz，1.80GHz，2.45 GHz 和3.12GHz的多频天线。通过HFSS三维电磁仿真软件进行天线的尺寸改进和参数优化。实验结果表明，该方案设计的多频天线具有较好的性能，能够满足实际工程应用。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.020