HFSS天線設計

矩形微帶天線陣列設計與量測 

前言 現在的科技進步，電子產品講求輕薄短小，因此天線的體積也跟著微 小化。而微帶天線具有低姿勢(Low profile)並可依附於物體之表面，體積 小，重量輕，容易製 ，低價格等優點，因此被廣泛的應用於現代科技產品 中，例如手機天線，即是利用微帶天線的型式將天線導體以幾何平面藏在 手機外殼內。 目前無線通訊裝置以工作頻率 2.45GHz 與 5.8GHz 的運用最廣泛，這 兩個頻段為 IEEE 802.11/WiFi 所使用，以下將設計出這兩個頻段的矩形微 帶陣列天線，並以 2.45GHZ 的微帶陣列天線為範例。我們首先要了解矩形 微帶天線的物理特性及它相關的數學公式，可以大略決定出矩形微帶天線 的有效「長」、「 寬」，利用阻抗匹配的概念設計饋入微帶線線長與線寬。 再來使用電磁模擬軟體 HFSS 來進行模擬與最佳化，輸出 AutoCAD 格式 的天線外型檔（*.dxf 及*.dwg 格式），接著循一般印刷電路板製作程序 （曝光、顯影、蝕刻或雕刻機等）將天線實現出來。實作完成後，使用網 路分析儀與天線量測系統，檢視天線的性能。



矩形微帶天線單元設計 微帶天線可由雙面感光電路板蝕刻製作而成，其結構包含金屬片 (patch)，電介質基板 (substrate)，接地平面及饋入電路。以微帶線 (microstrip line)饋入之微帶天線結構，如圖所示：

圖 1. 矩形微帶天線 在設計之前，必須先確定電介質基板的介電係數  r 、厚度 h 與工作頻 率 f (單位 Hz) 並假設介質厚度遠小於工作頻率波長，我們的工作頻率 f 為 2.45GHz 與 5.8GHz，基板材質皆選用玻璃纖維版(FR4)，介電係數

 r  4.3 ，厚度 h =1.6mm. 設計天線單元時，介質基板的長寬通常約為 0.5 個工作頻率波長。根 據天線理論的設計公式，輻射金屬面的有效長度 L， 通常是配合天線長度 小於介質中的半波長為原則，即 L  0.5d 。依照 L < 0.5λd 的設計原則， 以下將計算出天線尺寸的理論值。 假設 L  0.49d (滿足 L  0.5d ) 其中  d  0 r d 是介質中的波長， 0 是真空中的波長。 可得  c L  0.49 0  0.49 r f r 以 f =2.45GHz 為例，輻射金屬面的有效長度 L:

L  0.49

c f r

= 0.49 

3 1011 1   28.93mm 9 2.45 10 4.3

介質基板長寬約為 0.50  0.5 122.45  61.225mm 輻射金屬面的有效寬度 W，理論設計公式為:

W

1 2 f 0 0

2 r 1

但我們將設計一個正方形的微帶天線，所以直接令 W=L 即可。 微帶線的部分，我們事先假設微帶線的阻抗值為 50 歐姆，並利用計算 工具找出對應的微帶線線寬理論值(目前網路上已有許多計算傳輸線線寬阻 抗值的工具)，在此基板條件下 50 歐姆理論值微帶線線線寬約為 3.12mm。

圖 2.利用工具來計算阻抗與微帶線線寬

http://chemandy.com/calculators/microstrip-transmission-line-calculator-hartley27.htm



矩形微帶天線單元模擬 經理論值計算後，初步確定了微帶天線的尺寸，下一步利用電磁模擬 軟體 HFSS 來進行模擬與調整。設計中使用的計算公式都是理論與經驗公 式，而模擬的结果是基於實際情況的。因此，模擬结果與理論情況會有差 別，這種偏差可以透過模擬軟體對天線模型做調整，加以改善性能。 HFSS 這是一套被廣範使用的 3D 電磁模擬軟體(3D full-wave solver)， 採用所謂"有限元素分析"(Finite Element Method, FEM)，也是目前業界在模 擬準度上最廣被認可的 3D EM tool。有頻域與時域求解技術、萃取 S 參 數，廣泛用來做天線設計、連接器設計、封裝設計...等模擬。因此我們選 用此軟體來進行模擬、設計與分析。 利用 HFSS V.16 來建立微帶天線模型，設計兩個工作頻率 f 分別為 2.45GHz 與 5.8GHz，使用 FR4 雙面電路板，基板厚度 h=1.6mm，介電係 數  r = 4.3。 開啟 HFSS，並開啟新的設計檔(Insert HFSS design)。

開啟新檔後，便可開始畫天線模型，首先我們先畫出基板。

設定基板的座標與長寬高，我們將原點設在基板的中心，基板邊長為 a=61.225mm，約為半個波長，基板厚度 h=1.6mm。

HFSS 預設的立方體材質皆為空氣，所以必須將基板材質改為 FR4。

FR4 的介電係數範圍為 4.2~4.4，HFSS 預設值為 4.4、此例中我們將介電係 數設定為 4.3。

接著畫出微帶天線上的輻射金屬，先畫出一個長寬 L=W=28.93mm 的矩形 平面，再令其為 Finite Conductivity。

依照上面的畫法，畫出矩形傳輸線，設定座標與長寬，線寬 W1=3.12mm， 並同樣令其為 Finite Conductivity。

將輻射金屬貼片與傳輸線結合成一個平面，最後再畫出接地面，接地面面 積大小與基板相同，接地面為金屬，故設定為 Finite Conductivity。

畫完了天線結構，接下來要給予天線適當的饋入，必須設置 Lumped port 來激發天線。首先先將繪圖平面從原本的 XY 平面改為 YZ 平面，畫一個 在 YZ 平面上，位於基板邊緣，高度與基板相同，寬度與傳輸線相同的平 面。注意 Lumped port 的頭尾兩端必須連接金屬，積分線從下拉到上，以 下為 Lumped 設定流程。

完成了 Lumped Port 的設定後，接下來我們需要給天線一個輻射的邊界， 即在空間中畫一個大的空氣盒子，完全的包覆天線，注意天線單元與空氣 盒子外圍距離至少四分之一個波長，如以下所示。

設定完 Radiation Boundary 後，最後一個步驟就是要設定求解方式和欲解析 的工作頻率，其步驟如以下所示。

由於只解一個頻率點並不能完全了解天線的特性和與頻率的關係，所以必 須進行掃頻的動作，掃頻的範圍為 1.7~3.2GHz，。

在求解之前，先確認所有的設定是否皆已完成並存檔。

最後進行分析求解，分析完後檢視天線性能，我們主要重視天線的場型與 反射係數，首先先來看此天線的反射係數。

從上圖可以得知，此天線在工作頻率為 2.45GHz 時，反射係數僅有-5dB 左 右，表示輸入阻抗並沒有達到匹配，之後會再進行調整。接著我們來看此 天線的 3D 場型。

此 3D 場型為標準的輻射場型，表示天線的幾何結構正確，但由於輸入端 的阻抗不完全匹配，接下來我們將調整微帶線與輻射貼片的寬度，以達到 阻抗匹配。首先我們只調整傳輸線的寬度，固定其他參數，觀察線寬大小 對反射係數的影響為何。

解析完成後，我們來看反射係數與線寬的關係，參照步驟 45、步驟 46，可 得到以下的疊圖，並找出線寬與反射係數的關係，若線寬越小，端口的阻 抗匹配越好。

接下來我們要找出輻射貼片寬度 L 與反射係數的關係，所以我們按照上述 步驟 52~57，在固定其他變數的情況下，來設定另一組變數 L，設定完成 後即可再進行解析。

由於有先前傳輸線線寬 W1 的圖存在，所以在看結果之前，必須更改以下 設定，我們只要單純觀察 L 對反射係數的影響，所以 W1 固定在最初的 3.12mm。

我們經由以上步驟，可以知道 W1 越小阻抗匹配越好，也知道調整 L 可以 改變天線的中心頻率，接下來我們朝將 W1 與 L 變小的方向進行調整，不 斷的進行調整，在 W1=1mm、L=28.5mm 的情況下，得到反射係數-25dB， 天線增益為 3.15dB。