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HFSS - GSM 900 和 DCS 1800 双频PIFA天线的设计与仿真

2023-05-16

一、概述

PIFA天线可以采用在辐射金属片上开槽的技术来实现双频和多频段工作。采用如下图所示的U形开槽方案来实现PIFA天线在GSM 900和DCS 1800 两个频段上的工作。其中，在GSM 900频段，信号上行频率范围为880MHz ~ 915MHz，下行频率范围为925MHz ~ 960MHz，中心工作频率约为920MHZ；在DCS 1800频段,信号上行频率范围为1 710MHz ~ 1 785MHz，下行频率范围为1 805MHz ~ 1 880MHz，中心工作频率约为1 800MHz。
双频PIFA天线是在GSM 900单频PIFA天线基础上，在其辐射金属片上开出宽度为2mm的U形槽来实现双频工作的，如下图所示。U形槽的缝隙宽度用变量W_ slot 表示，U形槽的长度和宽度分别用变量L2_ slot 和L1_ slot表示，下图所示的A点位置坐标用变量表示为( Xslot, Yslot，H)。这样可以通过改变变量L1_ slot、 L2_ slot 和W_ slot 来改变U形槽的大小，通过改变变量Xslot和Yslot来改变U形槽的位置，从而方便天线的仿真调试，以及分析U形槽的大小和位置对天线性能的影响。
在设计中，U形槽主要改变电流回流路径，实现天线在DCS 1800频段的工作。从理论上来讲，U形槽长度I2_ slot 和宽度L1_ slot 之和约为1/4个工作波长，然而在实际设计时，谐振频率会受到天线高度、短路金属片的宽度、U形槽的位置等多种因素的影响，没有一组准确的理论值，需要不断地调试才能得到最终的结果。在这里，W_ slot的初始值取2mm，L1_slot和I2_slot的初始值分别取27mm和23mm，Yslot初始值取43mm，U形槽位于辐射贴片的中央，所以Xslot的值用变量表达式(W1 - L1 _slot)/2 表示。首先添加和定义上述的变量，接下来在之前的天线模型上创建如下图所示的U形槽，最后分析查看天线的性能。
在这里插入图片描述

二、模型创建

1、添加变量如下

在这里插入图片描述

2、模型创建

在GSM 900单频PIFA天线的基础之上，在辐射贴片上简历U形贴片，在执行相减操作，在辐射贴片上制造处U形槽如下
在这里插入图片描述

3、修改求解频率

修改求解频率与扫频如下
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

三、结果分析

S 11 _{11} 11​在0.5GHz ~ 2.3GHz的扫频分析结果如下：
在这里插入图片描述

从结果报告中可以看出，设计的PIFA天线有两个谐振频率，分别为895MHz和1846MHz。在辐射金属片上开槽后，可以成功引入1.8GHz左右的高频谐振点，但是开槽也影响了天线的低频谐振点，由最初的920MHz变成现在的895MHz。为了提高低频谐振点，使天线工作于GSM 900频段，我们需要适当减少辐射贴片的长度值L1,把L1由之前的60mm减小到53mm。同时，为了降低高频谐振点，需要适当增加U形槽的长度值L2_ slot, 把L2_ slot 由之前的23mm增加到25mm。
微调后结果如下：
在这里插入图片描述

从结果中可以看出，微调天线的尺寸之后，天线的两个谐振频点分别落在GSM 900和DCS 1800 工作频段内了。

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