HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 40

Ansoft2004 年用户通讯 129 适用于小型通信系统的一体化天线的研制 适用于小型通信系统的一体化天线的研制 张博 孙厚军 吕昕 韩力 北京理工大学 100081 摘要 本文分析了一种用于小型通信系统中的与小型收发信机的外壳结构和内部电路板集成在一 起的平面倒 F 天线 采用了收发信机和天线的结构一体化的设计思路 利用三维高频电磁场 EDA 软件 HFSSHFSS 对该天线进行仿真分析和优化设计 在不影响天线性能的前提下 采取了增强天线机械性能的特殊结构 使其更适宜恶劣的通信条件 天线仿真和测试结果的一致性证明了设计方法的正确性 关键词 小型天线 一体化天线 HFSS EDA The Design of Integrated antenna for Small Scale Communication System Zhang Bo Sun Hou Jun Lv Xin Han Li Beijing Institute of Technology 100081 Abstract A planar inverted F antenna which is used in small scale communication system is introduced in this paper The antenna is integrated with a small scale transceiver structure and the internal circuit board through a probe Based on the idea of antenna transceiver incorporation the antennas are designed associated with the structure of transceiver using HFSS Insuring the performance being not affected the antennas take some practical methods to enhance the antenna mechanical performance so that it can be much more robust and fit for the bad condition in the battlefield The consistency between simulation results and measurements prove the validity of the design methods Keywords Compact antenna integrated antenna HFSS EDA 1 引言 引言 个人无线通信和消费类电子需求的不断增长激发了 无线通信事业的蓬勃发展 小型短距离无线通信系统也正 在逐步走入人们的视野 如果将其应用于智能家电及汽车 电子领域必将成为电子应用领域的一个新的亮点 而应用 于该系统的天线也因此成为研究的热点 基于这一应用背 景 该系统采用的天线应具有以下几个特点 体积小 重 量轻 机械强度高 结构简单紧凑 便于批量生产 本文 针对一种用于小型短距无线通信系统中的天线 结合收发 信机的结构进行了一体化分析与设计 并实现了所设计的 天线 最后给出了 HFSS 的仿真结果和天线性能的测试结 果 2 天线的设计与实现天线的设计与实现 2 1 选型选型 微带天线有着重量轻 低剖面 易于加工制造等其它 形式的天线不具有的优点 正因为有了这些优点 微带天 线成为小型通信系统中的天线的首选 微带天线虽然具备 体积小巧的优点 但是对于某些应用来说 传统的微带天 线还是偏大 因此要想将微带天线用于此类应用中 就要 进一步减小天线尺寸 减小天线尺寸一般有以下几种方法 1 采用高介电常数的介质板 但是随之引来的是带宽的减 小 以及由于易在介质表面激励起表面波模式而导致的天 线效率降低 对于一般的电小天线来说 本身效率就不高 这无疑会进一步降低天线的辐射效率 2 加短路钉或短路 片 加短路装置被认为是比较有效的降低天线电长度的一 种方法 1 但是其缺点是致使带宽减小 输入阻抗受制于 馈电点相对于短路点的位置 3 电容加载 这种方法也会 使得天线的带宽降低 但是更为重要的是这种加载的天线 虽然可以将天线的电长度进一步降低 3 但是考虑到其机 械强度和加工的难易程度方面难以适用于比较恶劣的通信 条件 因此不适合应用于该通信系统中 综上所述 综合考虑天线的尺寸 带宽 效率 机械 特性 最终采用空气作为中间介质的平面倒 F 天线 PIFA 倒 F 天线虽然有很多变型 如开 L 型槽 3 U 型槽 4 电 容加载 2 电容耦合馈电 2 使其在某些方面的性能有所 Partners In Design 130 Ansoft2004 年用户通讯 提高 但是这些都是以降低其机械强度为代价的 2 2 设计方法 2 2 设计方法 严格意义上讲 本文设计的倒 F 天线与传统倒 F 天线 有所不同 因为在小型通信系统中很难找到相对于天线来 说的一块无限大地平面 4 因此在进行天线的建模时 要将小型收发信机的外壳结构一起考虑进去 因此该天线 的一些特性与传统的倒 F 天线有些不同 天线的结构如图 1 图 1 天线和收发信机外壳的结构 因为倒 F 天线是采用加短路片的结构 考虑到天线 50 欧姆的输入阻抗和加工的可实现性 1 以及对带宽的要求 采用 3mm 厚的空气介质 通过仿真发现如果采用其它常用 的介质如 FR4 很难在以上三者间达到折衷 综合考虑天线的带宽 尺寸以及机械特性 将短路片 的宽度取为 2 W Wshort Wshort 为短路片的宽度 W 为 辐射片的长度 与传统的倒平面倒 F 天线不同 4 通过 HFSS 建模仿真 发现这种形式的天线的谐振频率与辐射片 的长度和宽度有着如下的关系 22 4WL C f 其中 L 为辐射片的长度 W 为辐射片的宽度 C 为 真空中光速 即天线的谐振长度取决于长方形辐射片对角线的长 度 比如说对于 70 35 25mm 的发信机外壳尺寸来说 1GHz 天线的辐射片的尺寸可以选为 67 30mm 短路片的 尺寸为 3 10mm 馈电点位置的选取与短路片有关 delX 设为沿辐射片 长度方向馈电点至短路点的距离 图 2 是输入阻抗随其变 化的情况 总的趋势是馈电点越靠近短路片 天线的输入 阻抗的实部和虚部越小 而谐振频率略微向高频移动 沿 辐射片宽度的方向变化也有类似的规律 最佳馈电位置可 以通过仿真优化确定 为了实现与收发信机的外壳和内部 电路板集成在一起 天线通过馈电探针引入收发信机的屏 蔽盒内再通过一个同轴到微带的过渡将天线连接到收发信 机的 PCB 板上 0 90 920 940 960 9811 021 041 061 081 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Real Part of Input Impedance Vs Freq and delX Freq GHz Real Part of Input Impedance ohm delX 2 5 delX 3 5 delX 4 5 delX 5 5 delX 6 5 a 输入阻抗实部的变化的情况 0 90 920 940 960 9811 021 041 061 081 1 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 Freq GHz Image Part of Input Impedance ohm Image Part of Input Impedance Vs Freq and delX delX 2 5 delX 3 5 delX 4 5 delX 5 5 delX 6 5 b 输入阻抗虚部的变化的情况 图 2 输入阻抗随馈电点至短路片距离变化情况 对于该天线的方向图 因为短路片的影响 天线的方 向图在靠近短路片的一端下陷 而在辐射片的另一端上翘 如图 4 c 对于这种类型的天线 下面屏蔽盒的大小和形 状对方向图的影响很大 因此可以利用改变屏蔽盒的大小 和形状来调整天线的方向图 图 4 d 就是通过加长接收机 外壳的长度使得方向图的最大值转向了外壳的正上方 即 0 方向 o 2 3 天线的实现 2 3 天线的实现 上一小节介绍了该天线的设计方法 为了使其具备足 够的机械强度 在天线的实现形式上还要采取的一些特殊 方法 前面提到短路片起到降低天线尺寸的作用 短路片越 细 天线的尺寸降低得越多 5 带宽也越窄 更为重要的 是 随着短路片变细 天线的接地质量会下降 而且机械 特性也随之下降 因此尽量将短路片选为 2 W Wshort 同 时为了增加接地质量 采用两个螺钉将短路片固定在收发 信机的外壳盒壁上 因为采用了空气介质 缺乏支撑的辐射片到机壳的高 度很容易发生改变 导致性能不稳定 在此可以采用在辐 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 131 射片的除馈电处的另外三个角加支撑柱的办法 如图 3 支 撑柱直径尽可能小 应选取硬度高 介电常数小 参数稳 定的介质材料 本文选取的是一种航空材料 r 约为 3 6 加支撑柱后 会使得等效介电常数略微增大 但是通过仿 真发现 对天线的方向图并没有影响 因此只需略微缩短 辐射片的长度即可 这样加上馈电点和短路片 天线共有 五个支撑点 能保证结构稳定 3 天线测量结果与仿真结果的比较天线测量结果与仿真结果的比较 3 1 天线的测量3 1 天线的测量 因为天线是与收发信机的外壳一起设计的 在进行天 线的测量时也要将天线和收发信机的外壳组装成工作时的 状况一起进行测量 这样才更接近于实际情况 测量时可以采用两种方法 1 将 SMA 接头作为馈电接 头直接固定在盒子内部 接头内芯从盒子内部穿出接到天 线上 此时的测试忽略了同轴到微带的过渡结构 这种方 法简单 快速 但是同时也有局限性 前面提到天线的输 入阻抗很大程度取决于馈电点到短路片的距离 而且对于 大多数情况 馈电点距离短路片都比较近 因此很多时候 是没有足够的空间将测试电缆连接上盒子内部的 SMA 接 头 甚至连 SMA 接头都无法固定在盒子的内部 2 制作一 个测试板 其厚度和介电常数与实际的收发信机的板材相 同 在测试板上从馈电处引一 50 欧姆的微带线至盒子边沿 处 然后在此处安装临时测试接头进行测量 这样的测试 因为引入了同轴 微带的过渡结构 因而更接近于实际情 况 而且不会象第一种方法那样受到空间的限制 本文就 是采用后一种方法进行测试的 结构如图 3 a 天线测试的结构图 b 天线测试的实物图 图 3 天线测试的结构图和实物图 3 2 测试与仿真结果的比较 3 2 测试与仿真结果的比较 由图 4 可以看出 HFSS 的仿真结果与实测结果取得 了较好的一致性 而且可以很明显的看出接收天线的带宽 要比发射天线宽 这主要是因为接收天线为了使得方向图 的最大值出现在垂直上方 如图 5 b 而特意增加了外壳 长度 对于外壳加长后对带宽的影响可以解释为 辐射片 和外壳之间相当于存在一个束缚电磁场能量的电容 当外 壳加长后 使得这一结构更为开放 降低了该电容的 Q 值 从而增加了天线的带宽 11 021 041 061 081 11 121 141 161 181 2 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 RL Vs Freq of 1 1GHz transfer PIFA Freq GHz RL dB measure simulation a 1 1GHz 发射天线的回波损耗 11 021 041 061 081 11 121 141 161 181 2 25 20 15 10 5 0 Freq GHz RL dB RL Vs Freq of 1 1GHz PIFA Receive Antenna measure simulation b 1 1GHz 接收天线的回波损耗 图 4 天线回波损耗仿真与测试值的比较 0 2 0 4 0 6 0 8 1 30 210 60 240 90270 120 300 150 330 180 0 Normalized 1GHz Trans Antenna Pattern phi 0 phi 90 a 1GHz 发射天线的归一化方向 Partners In Design 132 Ansoft2004 年用户通讯 0 2 0 4 0 6 0 8 1 30 210 60 240 90270 120 300 150 330 180 0 Nomalized 1GHz Recieve Antenna Pattern phi 0 phi 90 b 1GHz 接收天线的归一化方向图 加长底板 图 5 天线的归一化方向图 4 总结总结 本文设计的天线满足了小型通信系统对无线短距离 传输天线的要求 即具备体积小 重量轻 机械强度高 结构简单紧凑 而且达到了收发信机和天线的一体化 值 得一提的是该天线的调试比较方便 只需调整辐射片的长 度就可以调节天线的谐振频率 同时本文设计的天线非