一、設計指標

• 中心頻率：高頻5.49GHz 低頻2.45GHz
• 相對介電常數：3.38
• 介質板厚度：1.52mm

二、雙頻偶極子天線設計

在本節中，我們設計一個L形結構的微帶線單極子天線，天線工作于IEEE 802.11a和802. 11b兩個工作頻段。IEEE 802. 11a標準于1999年制定完成，該標準規定無線局域網工作頻段在5. 15GHz ~ 5. 825GHz，中心頻率約為5. 49GHz。IEEE802.11b 標準是對IEEE 802. 11的一個補充，于1999年9月被正式批準，該標準規定無線局域網工作頻段在2. 4GHz ~ 2.4825GHz，中心頻率約為2. 44GHz。
下圖所示為設計的微帶雙頻單極子天線的結構模型，整個天線結構大致分為5個部分，即介質層、高頻(5GHz) 單極子天線、低頻(2. 4GHz)單極子天線、微帶饋線和參考地。

介質層的材質使用Rogers RO4003， 其相對介電常數${\epsilon }_r$=3.38，損耗正切tan$\delta$ =0.0027,介質層厚度為1.52mm。介質層的下表面是單極子天線的參考地，介質層的上表面是微帶饋線和單極子天線。其中，左側的L形結構是高頻單極子天線，工作于IEEE802.11a頻段，即工作頻率為5.15GHz~5.825GHz，右側的L形結構是低頻單極子天線，工作于IEEE 802.11b頻段，即工作頻率為2.4GHz ~2.4825GHz。
設計天線工作于2. 45GHz和5.49GHz兩個頻段，若在自由空間中傳播，那么這兩個頻率對應的波長分別為122mm和55mm。若在全部填充介電常數為3.38的Rogers RO4003介質中傳播，那么其對應的波長分別為66.4mm和30mm。對于2.45GHz的中心頻率，若采用自由空間波長，則1/4波長單極子天線的長度為30.5mm；若采用介質中的波長，則1/4波長單極子天線的長度為16. 6mm。對于5. 49GHz的中心頻率，若采用自由空間波長，則1/4波長單極子天線的長度為13. 8mm；若采用介質中的波長，則1/4波長單極子天線的長度為7.5mm。對于PCB板上的微帶單極子天線，波的傳輸既要經過介質也要經過自由空間，因此實際波長應該介于介質的導波波長和自由空間的工作波長之間。而對于2.45GHz工作頻段，1/4波長介于16. 6mm ~ 30.5mm；即對于5. 49GHz工作頻段, 1/4 波長介于7.5mm~ 13.8mm。
為了便于后續的參數化分析，即分析天線的各項結構參數對天線性能的影響，在HFSS設計建模時需要定義一系列的變量來表示天線的結構，使用變量表示的單極子天線參數化設計模型如圖所示。

其中,定義的變量名稱、代表的結構參數以及變.量的初始值如下表所示。

變量意義變量名變量值（單位：mm）

介質層厚度	H	1.52
微帶饋線寬度	S	3.5
微帶饋線長度	L	14
單極子天線金屬片寬度	W	2
高頻單極子天線水平方向長度	L1	4.25
高頻單極子天線垂直方向長度	L2	7
低頻單極子天線水平方向長度	R1	10.25
低頻單極子天線垂直方向長度	R2	23

三、HFSS建模

本次求解類型（Solution Type）選用終端（Teminal）驅動類型。在HFSS中對于微帶結構的天線，既可以選擇模式（Modal）驅動求解類型，也可以選擇終端驅動求解類型。
參照上表在HFSS中添加變量如下：

此次設計中所選用的相對介電常數為3.38的材料在HFSS中并沒有預先設定，需要自行添加新的介質材料。從主菜單欄中選擇【Tools】→【 Edit Libraries】 →【 Materials】命令，打開Edit Libraries 對話框，然后點擊添加按鈕【Add Material】，在材料添加界面修改如下材料名稱、相對介電常數、損耗角正切值三項。

使用上述添加的材料作為介質板建立模型，建立完成后的模型如下所示：

在該求解驅動類型下，設置激勵的方法有別于以往的模式驅動求解。首先添加矩形將GND與微帶線相連接。如下橙色矩形所示。

選中該矩形后右鍵單擊，選擇分配邊界（Assign Excitation）、集總端口（Lumped Port）。彈出如下窗口，在參照中勾選GND

再在工程樹下分別雙擊集總端口激勵名稱和終端線名稱，確定端口阻抗為50$\Omega$。

四、仿真與優化

回波損耗結果如下

從分析結果中可以看出，在IEEE 802.11a (即5.15GHz ~ 5.825GHz)頻段內，$S_{11}$小于- 14dB；在EEE 802.11b (即2.4GHz ~ 2.4825GHz)頻段內，$S_{11}$大于-10dB，不滿足性能要求。其原因是低頻段單極子天線的長度偏長，導致諧振頻點偏低。因此我們可以調節天線的長度變量R2，使得天線的諧振頻點落在2. 4GHz ~ 2. 4825GHz頻段內。
借助HFSS的參數掃描分析功能，來分析長度變量R2和天線諧振頻率的關系，找出合適的長度變量R2的值，使得天線在低頻段的諧振頻點落在2.4GHz ~2.4825GHz頻段內。
在參數掃描器中添加R2，如下所示，設置范圍為18mm~23mm，步長為1mm。

掃描結果如下

從參數掃描分析結果中可以看出，諧振頻率隨著天線臂長度變量R2的變短而升高。當R2= 19mm時，諧振頻率約為2. 45GHz，因此R2的值可以取19mm。
修改后的仿真結果如下：

可以看出，設計的雙頻單極子天線的高頻和低頻諧振頻點分別落在IEEE 802. 11a(5.15GHz ~5.825GHz)和IEEE 802. 11b (2. 4GHz ~2.4825GHz)工作頻段上。
至此，我們便完成了WLAN雙頻單極子天線的HFSS設計分析。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的HFSS - WLAN双频单极子天线设计与仿真的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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