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关键词：HFSS；5G天线阵列；功分器；毫米波；SAR

一、文章简要介绍

5G 手机工作在毫米波频段，天线得小、增益得高，还得贴着人头发射，辐射安全就成了绕不开的硬指标。这篇文章设计了三种紧凑的八单元天线阵，工作频段在 27 到 29.5 GHz，馈电部分都用同一个 Wilkinson 功分器，区别只在辐射单元。做法很扎实：用 HFSS 和 CST 两套全波软件同时仿真、互相验证，其中一个阵列还加工出来实测，再逐一评估比吸收率 SAR。我们把它拆开讲讲，重点是 HFSS 那部分怎么建模（DOI：10.1038/s41598-021-00679-8）。

图1 八路 Wilkinson 功分器（WPD）的结构与尺寸

二、HFSS 建模与仿真流程

先说馈电。八单元阵列需要一个八路功分器，作者选了 Wilkinson 结构，因为它匹配好、端口隔离也不错。基板用 Rogers RT/Duroid 5880，厚 0.38 毫米，相对介电常数 2.2、损耗角正切 0.0009。先用 TXline 算出初始线宽，再在 HFSS 里建模：微带线、集总隔离电阻、波端口馈电、辐射边界，都按实际尺寸设好，然后扫频看反射系数、插入损耗和隔离度。

图2 八路 WPD 的仿真结果（反射系数、插入损耗与隔离度）

辐射单元是三种不同的多枝节结构，基板换成 15 密耳的同款材料。HFSS 里把三种单元和功分器拼成完整阵列，同样用波端口和辐射边界，扫反射系数、E 面和 H 面方向图、增益，再和 CST 的结果逐条比对。两套软件对得上，才敢继续往下做。

图3 三种辐射单元的结构（antenna1、antenna2、antenna3）

三、关键结果与发现

先看馈电和匹配。八路功分器在 28 GHz 附近匹配和隔离都做得不错，插入损耗偏大一点，主要来自毫米波微带线的导体和介质损耗。三种阵列在 27 到 29.5 GHz 的反射系数都在可接受范围，增益分别是 12.85、14.6 和 12.2 dB，方向图是朝设备边缘的端射。

图4 阵列结构与仿真结果（含 antenna2 的实测对比）

方向图这一点很关键。增益够用之后，波束往手机顶部或底部打，正好把能量从人头方向引开，这也是后面 SAR 能压下来的原因。

图5 三种阵列的三维方向图与增益

SAR 评估用了一个三层球状头部模型，分成皮肤、颅骨和脑，外面套一层低损耗壳，放在天线旁 5 毫米处，装在手机的塑料外壳里。在标准输入功率下，三种阵列的 SAR 都低于 FCC 的 1.6 W/kg 和 ICNIRP 的 2 W/kg 限值，比常用的偶极子天线还低。

图6 人体头部与手机模型及手机尺寸

图7 三种阵列的 SAR 仿真结果（SAR1g 与 SAR10g）

四、我们提供的服务

如果你也在学天线仿真，可以从这套流程入手：HFSS 微带阵列建模、波端口与辐射边界设置、S 参数扫频、方向图与增益提取、HFSS 与 CST 交叉验证、功分器设计，以及人体头部模型下的 SAR 评估。我们可提供教程复现、天线建模与参数优化、SAR 合规检查、学习路径规划等服务。如需相关服务，欢迎私信聊聊。