一、設計名額
- 中心頻率：高頻5.49GHz 低頻2.45GHz
- 相對介電常數：3.38
- 媒體闆厚度：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标準于1999年制定完成，該标準規定無線區域網路工作頻段在5. 15GHz ~ 5. 825GHz，中心頻率約為5. 49GHz。IEEE802.11b 标準是對IEEE 802. 11的一個補充，于1999年9月被正式準許，該标準規定無線區域網路工作頻段在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，整個天線結構大緻分為5個部分，即媒體層、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。
媒體層的材質使用Rogers RO4003， 其相對介電常數 ε r \varepsilon_r εr=3.38，損耗正切tan δ \delta δ =0.0027,媒體層厚度為1.52mm。媒體層的下表面是單極子天線的參考地，媒體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，那麼這兩個頻率對應的波長分别為122mm和55mm。若在全部填充介電常數為3.38的Rogers RO4003媒體中傳播，那麼其對應的波長分别為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；若采用媒體中的波長，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；若采用媒體中的波長，則1/4波長單極子天線的長度為7.5mm。對于PCB闆上的微帶單極子天線，波的傳輸既要經過媒體也要經過自由空間，是以實際波長應該介于媒體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。
為了便于後續的參數化分析，即分析天線的各項結構參數對天線性能的影響，在HFSS設計模組化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（機關：mm） |
|---|---|---|
| 媒體層厚度 | 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 |
| 高頻單極子天線水準方向長度 | L1 | 4.25 |
| 高頻單極子天線垂直方向長度 | L2 | 7 |
| 低頻單極子天線水準方向長度 | R1 | 10.25 |
| 低頻單極子天線垂直方向長度 | R2 | 23 |
三、HFSS模組化
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，需要自行添加新的媒體材料。從主菜單欄中選擇【Tools】→【 Edit Libraries】 →【 Materials】指令，打開Edit Libraries 對話框，然後點選添加按鈕【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媒體闆建立模型，建立完成後的模型如下所示：
在該求解驅動類型下，設定激勵的方法有别于以往的模式驅動求解。首先添加矩形将GND與微帶線相連接配接。如下橙色矩形所示。
選中該矩形後右鍵單擊，選擇配置設定邊界（Assign Excitation）、集總端口（Lumped Port）。彈出如下視窗，在參照中勾選GND
再在工程樹下分别輕按兩下集總端口激勵名稱和終端線名稱，确定端口阻抗為50 Ω \Omega Ω。
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)頻段内， S 11 S_{11} S11小于- 14dB；在EEE 802.11b (即2.4GHz ~ 2.4825GHz)頻段内， S 11 S_{11} S11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，導緻諧振頻點偏低。是以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頻段内。
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，找出合适的長度變量R2的值，使得天線在低頻段的諧振頻點落在2.4GHz ~2.4825GHz頻段内。
在參數掃描器中添加R2，如下所示，設定範圍為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，諧振頻率随着天線臂長度變量R2的變短而升高。當R2= 19mm時，諧振頻率約為2. 45GHz，是以R2的值可以取19mm。
修改後的仿真結果如下：
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别落在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。