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基于HFSS的高增益平板天线设计

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前言

平板高增益天线是一种基于微带贴片或阵列结构设计的高性能定向天线,凭借其高增益、低剖面、轻量化及易于集成的特性,广泛应用于现代无线通信领域。在移动通信基站部署中,其窄波束、强方向性的特点可有效提升信号覆盖范围与抗干扰能力,适用于城市密集区域或偏远地区的信号中继。卫星通信场景中,平板天线通过高增益特性增强对低轨道卫星的稳定追踪能力,支撑卫星互联网、应急通信等业务。在物联网领域,其紧凑结构适合嵌入智能设备,满足工业物联网、车联网对低功耗、远距离传输的需求。此外,在无人机图传、军事侦察、雷达探测等场景中,平板高增益天线可兼顾空间限制与高性能通信需求,成为新一代无线系统的重要组件。本设计给出一款工作在中心频率5.8GHz的并联馈电平板阵列天线,实现定向辐射,增益达到18.6dBi,半功率波束宽度约19deg,并且在最大辐射方向上交叉极化极低。

关键词:平板天线 定向辐射 高增益 低剖面

  1. 单元设计

天线单元选择经典的贴片天线,为有效调整阻抗,在贴片边沿嵌入一个缺口,设置波端口,并且嵌入操作,时的贴片的边沿阻抗和微带线的特征阻抗数值相等,即将边沿阻抗优化到100+j*0的情况。


图1 单元结构


图2 边沿阻抗


图3 波端口归一化100的S11


图4 单元增益7.3dBi

图1给出了单元的模型,将馈电的波端口嵌入设置,优化后的端口阻抗如图2,实部约108欧姆,虚部接近0,然后将端口归一化阻抗到100,得到S11如图3,可以看到此时匹配良好,得到图4的增益大约7.3dBi,符合常规贴片天线的性能。

二.阵列设计

本次设计的阵列采用图5的布局形式,将贴片单元旋转180度,然后在垂直方向排列,为补偿相位,在两个单元之间加相位延迟线,然后组合成4*4阵列,仿真得到各部分增益图如图6所示。


图5 单元排布方式


图6 天线增益

图6可以看到每个2*2部分增益图较为一致,说明之间的耦合较弱,适合组成更大阵列。


图7 4*4阵列


图8 S11


图9 主极化和交叉极化


图10 3D增益

图7是平板天线最终的结构,仿真的最终S11如图8,约工作在5.8GHz,图9是主极化和交叉极化增益,可以看到天线的最大辐射方向有着极低的交叉极化,并且E面和H面方向图基本对称。图10给出3D方向图,增益达到18.6dBi。

三.总结

本例设计了一款工作在5.8GHz的平板天线,具有高增益,低剖面的性质,适合用于现代无线通信领域。

来源:320科技工作室
HFSS通信无人机
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-04-12
最近编辑:1天前
320科技工作室
硕士 | 结构工程师 lammps/ms/vasp/
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