HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 28

90 Ansoft2004 年用户通讯 新型带扇形馈源的宽带缝隙天线新型带扇形馈源的宽带缝隙天线 姚凤薇 钟顺时 上海大学 通信与信息工程学院 jojoyao 上海200072 摘要 摘要 本文介绍了一种新型的采用扇形微带馈源的宽带缝隙天线 给出了反射损失曲线和辐射方向图 本天 线采用稍高的相对介电常数 3 4 r 和薄基片 h 1 1mm 获得了约 106 的阻抗带宽 S11 10dB 频率范围 是 1 65GHz 5 38GHz 采用电磁仿真软件Ansoft HFSS 8 0 TM对几个天线尺寸的影响进行了仿真与讨论 并与文 献 6 的结果相比较 验证了本设计的有效性 同时也证明了本结果的可靠性 关键词 关键词 缝隙天线 微带 宽频带 A new broadband slot antenna with a fan shaped microstrip feed Feng wei Yao Shun Shi Zhong Shool of Communication and Information Engineering Shanghai University jojoyao Shanghai 200072 China ABSTRACT A new broadband slot antenna with a fan shaped microstrip feed is presented with its return loss curve and radiation patterns A lightly higher relative permittivity 3 4 r and thin substrate h 1 1mm are adopted then its impedance bandwidth reaches approximately106 S11 10dB covering 1 65GHz 5 38GHz By using Ansoft HFSS 8 0 some studies of key parameters are presented and discussed Comparison with the results of Ref 6 confirms the validity of this design Key words slot antenna microstrip wideband 1 引言 1 引言 通信系统的迅猛发展带来了天线行业的勃勃生机 在众多的天线类型中宽带微带天线已成为当前研究的前沿之一 很具有研究 前景与实用意义 本文提出了一种新型带扇形微带馈源的宽带缝隙天线 我们相信这种宽带天线必可在雷达 PCS IMT 2000 ISM 移动及宽带通信等系统中找到用武之地 缝隙天线以其平面结构且易与载体共形 馈电网络与天线结构一起集成等优点 自从上世纪 40 年代起就受到广泛的关注 1 一 些电磁场教科书中提及了典型的矩形缝隙天线的结构 2 但是由于其自身结构的限制 缝隙天线总是存在带宽较窄的问题 这也一直 制约着它的适用范围 近年来 通过研究者的不断努力 各种不同形式的宽频带缝隙天线逐渐呈现在人们的眼前 如具有 21 带宽的 偶极子形缝隙天线 3 40 带宽的共面波导馈电微带缝隙天线 4 60 带宽的微带线馈电缝隙天线 5 等 最近 Y W Jang发明了一种具有 98 59 带宽的交叉十字馈线的缝隙天线 1 765 4 921GHz 6 本文介绍一种新型带扇形馈源的宽带缝隙天线 制作简单 便于集成 特别是 它比现有的缝隙天线 3 8 具有更宽的带宽和更小 的体积 下面给出其分析与数值结果 2 天线结构与分析软件 2 天线结构与分析软件 本文设计的是带扇形馈源的宽带缝隙天线 天线结构如图1所示 主要包括矩形槽 嵌入槽中的三角贴片 带枝节的扇形馈源 图中ls 表示槽的长度 ws 表示槽的宽度 lp和hp 分别表示三角形贴片的底边边长和高 ld和wd 分别是水平枝节的长度和宽度 r 是扇形的半径 d 代表水平枝节中心到扇形圆心的距离 天线内部均匀填充相对介电常数 3 4 r 的介质材料 厚 h 1 1mm 馈线 输入阻抗为 50 由 Serendde8 7 软件计算得 wf 2 14mm 天线的尺寸如下 ls 32mm ws 50mm lp 7mm hp 5mm ld 18 5mm r 9 53mm d 1 41mm 1000 其中扇形半径r 张角 水平枝节长度ld及d对天线的阻抗带宽影响较大 Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 91 缝隙 lp 缝隙 lp ls ls hp r 地 ws wd d 面 ld wf h 介质 图1 天线结构 采用基于有限元法分析的电磁仿真软件 Ansoft HFSS 8 0TM 对扇形馈源宽带缝隙天线进行了分析 为了验证电磁仿真软件 Ansoft HFSS 8 0TM 的可靠性 首先计算了文献 6 的十字形馈源 宽带缝隙天线 如图 2 所示 为了便于比较 图 2 中同时给出了 文献中的测量结果 由图可见 计算值与测量值吻合较好 从而 证明了模拟结果的可信性 3 数值结果 3 数值结果 对 4GHz 工作频率 利用软件对扇形的张角进行调节 分别 计算了 0 及不存在扇形馈源时天线的反射损 失 如图 3 所示 可明显看到 没有扇形馈源时阻抗带宽仅为 19 1 3 04GHz 4 48GHz 随着扇形角度增大 形成多调谐电路 特性 频带逐渐展宽 分别在5 14 5 21 5 27GHz 天线谐振频率点反射损失最低 在 35dB 19dB 间变化 当时 反射 损失不大于 10dB 的阻抗带宽最宽 达 106 这是无扇形馈源时的 5 6 倍 作为比较 这一结果已画在图 2 中 可见其频带范围比文 献 6 中的设计更宽 本天线面积为100 85mm2 相对较小 例如文献 8 给出的尺寸为110mm 120mm 90 0 100 0 110 0 100 1 01 52 02 53 03 54 04 55 05 56 06 5 25 20 15 10 5 0 s11 dB Frequence GHz simulated 6 measure 6 Simulated present antenna 图2模拟结果与测试结果的比较 水平枝节中心到扇形圆心的距离d 起到了调节阻抗匹配的作用 如图4 所示 当d 增加时 阻抗带宽减小 谐振点基本不变 而当d减小至1 21mm时 S11提高 有的峰值反射损失高于 10dB 水平枝节 ld 也起调节阻抗匹配的作用 当 ld 增加时 阻抗带宽减小 谐振点基本不变 嵌入槽中的三角贴片同样起展宽频带 的作用 这里不再赘述 123456 25 20 15 10 5 0 Frequence GHz S11 dB 90 0 100 0 110 0 without fan 123456 25 20 15 10 5 0 S11 dB Frequence GHz d 1 21mm d 1 41mm d 1 61mm 图3 不同扇形张角的反射损失 图4 不 同 d的反射损失 Partners In Design 92 Ansoft2004 年用户通讯 图5和图6分别为在频率上计算的x z面和y z面方向图 可见呈现良好的边射特性 并已表明 改变扇形的张 角 GHzf0 4 及d对方向图影响不大 图5 时x z面方向图 图6 GHzf0 4 GHzf0 4 时y z面方向图 4 结论 4 结论 本文提出一种新型的扇形馈源宽带缝隙天线 制作简单 体积小 它可获得106 的阻抗带宽 10dB反射损失 比文献已有结 果的带宽增加 运用了 Ansoft 软件研究了不同的扇形角度及水平枝节中心到扇形圆心的距离对阻抗带宽的影响 并给出了 x z 面 y z面方向图 与文献 6 结果比较表明了该设计的有效性 对要求单向辐射的应用 可在背面加反射板 这尚待进一步研究 参考文献 参考文献 1 BOOKER H G Slot aerials and their relation to complementary wire aerials J IEE London part IIIA 1946 93 620 626 2 COLLIN R E A microstrip slot antenna IEEE Trans Microw Theory Tech 1972 20 760 762 3 ABDELNASSER A ELDEK Wideband slot antennas for radar application IEEE Radar Conference 2003 4 DEAL WR RADISIC V QIAN YONG XI AND ITOH T A broadband microstrip fed slot antenna IEEE MTT symp On Technologies for wireless applications Dig Feb 1999 209 212 5 Jun Wei Niu Shun Shi Zhong A CPW fed broadband slot antenna with linear taper Microwave Opt Tech Lett May 2004 218 221 6 Y W Jang Broadband cross shaped microstrip fed antenna electronics Letters 7th Dec2000 2057 2058 7 Y W Jang Broadband T and shunt stub shaped microstrip fed slot antenna backed by a ground plane Micro