4G移动通信系统HFSS天线设计的探讨

4G移动通信系统HFSS天线设计的探讨

肖世文

广州市汇源通信建设监理有限公司510620

摘要：伴随着科学技术的迅猛发展，移动通信系统已经由最初的1G逐级发展至现如今的4G，人们已经能够完全实现随时随地跨时空沟通与联络。移动通信业务也从原始的语音业务发展至当前的多媒体无障碍传输，在4G移动通信系统当中，不仅容量得以进一步增加，传输速率和传输质量也已经上升至一个全新的高度。本文将主要谈谈4G移动通信系统中HFSS天线的设计。

关键词：4G；移动通信系统；HFSS天线；设计

引言：在现阶段的4G移动通信系统当中，移动终端越来越小巧同时能够与整机完美匹配，但为进一步提升传输速率，优化传输质量同时实现大容量的数据传输，需要使用多天线技术，然而考虑到整机的外观，用于安装天线的空间位置被不断压缩。HFSS仿真软件的出现则能够将天线设计方案进行优化，下面本文将围绕4G移动通信系统HFSS天线设计展开简要论述。

一、4G移动通信系统中的HFSS

HFSS是英文HighFrequencyStructureSimulator的缩写，翻译成汉语即为高频结构仿真器，从本质上来说高频结构仿真器其实是一款三维电磁仿真软件同时也是世界上首个被商业化的三维结构电磁场仿真软件，该软件最早由Ansoft公司研发而成。现阶段在业内人们将HFSS看做是设计、分析三维电磁场的主要标准。在HFSS当中拥有清晰、直观、间接的用户设计界面，能够对任意的自适应场、以三维无源结构为主要结构方式的电磁场、S参数等各类相关参数进行精确求解，同时其内置的后处理器具有强大的分析电性能能力。通常情况下，在移动通信系统当中人们常常选择使用HFSS即高频结构仿真器设计天线，或是用于计算例如方向图、实际增益数值等各种参数。除此之外,通过HFSS还可以借助于二维图或三维图的形式对圆极化分量、球形场分量以及移动通信系统当中各天线的极化特性进行绘制。不仅如此，利用HFSS仿真软件设计天线，能够大大降低计算传输常数、S参数端口特性阻抗、天线结构的谐振解等各类与电磁场有关的参数难度，从而顺利完成MIMO多天线设计[1]。

二、4G移动通信系统HFSS天线的设计

（一）天线结构

根据4G移动通信系统对容量、传输速率和传输质量的具体要求，设计选用尺寸为28毫米X60毫米的天线，经过反复试验证明该尺寸的天线能够在1880MHz到2635MHz频带内正常工作运行，TD-LTE中F和D频带的要求也能有效满足。另外这一尺寸的天线可以将驻波比控制在1.5以内，在755MHz的工作频带内，该天线的分集隔离度也能够有效控制在-18dB以内。4G移动通信系统设计天线采用FR4作为其背板介质材料，同时在背板上层会粘贴两个T行单级子。天线变量如下图所示：

表1天线的具体变量

（二）设计方案

4G移动通信系统为大幅度提升增益，选择使用分集技术，其中接收天线与发射天线需要通过在天线单元阵列当中的最小单元数来衡量最终移动通信系统的实际容量。天线单元数与移动通信系统容量成正相关性，也就是说天线单元数越多，移动通信系统的容量也就越大。但由于在移动终端内部中只有有点的空间资源，很难在此中充分使用方向图，由于极化分集只需要占据极小一部分天线分布空间，因此在设计天线时需要使用极化分集方式。另外展宽前向辐射波瓣是优化单元天线方向图的重要前提条件，同时为尽可能的降低天线后向辐射，开辟出更多的多晶路线，使得接收端能够最大限度的接受散射波，避免人体应受到电磁波辐射造成损伤，因此在选择MIMO系统终端天线时尽量选择带有地板的天线形式譬如说微带贴片天线等[2]。

（三）仿真结果

通过使用HFSS软件对4G移动通信系统设计的天线方案进行仿真后，可以明确得知位于天线信号端口的回波的实际损耗情况：

图1天线信号端口处回波损耗仿真曲线

通过仿真曲线图可以看出，本次为4G移动通信系统设计的天线为2.43GH的谐振频率，并且在谐振频率处于2.43GHz时天线大约损耗了-37.5dB左右的回波。而这一数值也是通过HFSS软件进行仿真得出的确切数值，在与既定的设置参数和优化五十次迭代之后，有效将设计天线的回波损耗控制在-30dB以内[3]。在HFSS软件的仿真下，可以准确了解到天线的谐振频率与贴片长度之间有着直接联系，当贴片长度越长时，天线谐振频率反而呈现出递减趋势，因此若想控制谐振频率可以通过控制天线贴片的长度实现这一目的。但天线贴片的宽度与其谐振频率之间并无任何直接联系，也就是说无论天线贴片的宽度如何变化，都不会影响天线天线的谐振频率。下图所展示的是借助HFSS软件仿真出4G移动通信系统中天线输入阻抗和馈电位置之间的关系：

图2天线输入阻抗与馈电位置关系图

通过分析关系图可以看出，天线输入阻抗处于天线贴片中心位置的馈电位置处是其电阻数值要远远小于其位于天线贴片边缘的馈电位置处，而位于天线贴片中心馈电位置处天线输入阻抗中的电抗数值，却要远远小于位于天线贴片边馈电位置处的天线输入阻抗电抗。

（四）结果分析

通过利用HFSS对4G移动通信系统的设计天线进行仿真，了解到本文提出的设计方案能够有效扩大辐射覆盖范围，达到较好的分集效果，并且同时能够充分发挥出通信MIMO技术应有的作用。面对不断飞速的移动通信事业，人们也对移动通信的传输容量、传输速率、传输质量等提出了更高的要求。本文通过使用HFSS仿真软件对提出的天线设计方案进行仿真实验，同时将用户与基站之间进行有效连接，促使多媒体数据能够自由穿梭在用户和基站中间，从而不断提升4G移动通信系统的传输速率，增强用户的传输体验。由此可以看出，本文提出的天线设计方案具有一定的优越性和先进性，基本可以满足人民群众对移动通信系统的高要求[4]。

结论：总而言之，针对已经更新到第四代的移动通信系统，为有效提升其信息数据的传输质量和传输效率，本文提出使用HFSS仿真软件设计出天线方案。通过采用分集天线和极化分集的方式，彻底解决移动通信终端天线预留空间较小的问题，不断优化分集效果。另外，HFSS仿真软件真实的展示出了方向图和天线性能情况，本文在此基础上优化了几个天线中的重要参数，实现天线设计方案的整体优化。

参考文献：

[1]赵迎，王琪，金晨，房柳君.4G移动通信系统HFSS天线设计的探讨[J].无线电工程，2016，03:58-61.

[2]田金凤，郑小盈，胡宏林，尤肖虎.浅谈4G移动通信系统的发展趋势以及HFSS天线设计[J].科学通报，2015，05:299-313.

[3]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，邬贺铨.探究4G移动通信系统发展趋势与HFSS天线设计[J].中国科学:信息科学，2016，05:551-563.

[4]高峰，和凯，宋智源，朱文涛，王丽芳，高鹏.试析4G移动通信系统发展特点及智能天线关键技术[J].电信科学，2015，05:36-41.