摘要：針對(duì)一個(gè)圓環(huán)形微帶貼片天線構(gòu)成的天線系統(tǒng)，出于天線尺寸小型化的要求，通過(guò)適當(dāng)?shù)丶尤攵搪丰樋梢允沟迷撎炀€在較低的頻率點(diǎn)處出現(xiàn)諧振峰。仿真結(jié)果表明，短路針孔徑的大小以及加載的位置會(huì)直接影響天線的諧振頻率。首先基于HFSS軟件設(shè)計(jì)出天線系統(tǒng)的模型，找到符合要求的天線系統(tǒng)的S參數(shù)后將其導(dǎo)成S2P格式文件，并總結(jié)出短路針的位置及尺寸對(duì)于天線工作在低頻處的影響，最后應(yīng)用ADS軟件加入脈沖信號(hào)源驗(yàn)證天線系統(tǒng)的傳輸特性。
關(guān)鍵詞：圓環(huán)形微帶貼片天線；短路針；S參數(shù)；HFSS；ADS

    微帶貼片天線是一種使用微帶貼片作為輻射源的天線，它是由導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)板上形成的天線。導(dǎo)體薄片的形狀可以是方形、矩形、圓形或橢圓形等。由于它要構(gòu)成一個(gè)天線系統(tǒng)，即要有一對(duì)收發(fā)天線，而且收發(fā)天線之間用一根金屬棒連接，所以采用的貼片是圓環(huán)形貼片。但是在實(shí)際應(yīng)用中，如果要求天線工作在低于2 GHz的頻率范圍內(nèi)時(shí)，貼片天線的尺寸會(huì)顯得較大。這里由于項(xiàng)目背景的要求，使得天線的最大尺寸基本確定，而且要求天線系統(tǒng)的最低工作頻率可以達(dá)到260 MHz左右。為了解決天線小型化問(wèn)題，采用了加載短路針的方法。本文先通過(guò)Ansoft的HFSS軟件進(jìn)行建模，完成一個(gè)完整的天線系統(tǒng)模型，并仿真得出其S參數(shù)，然后將其導(dǎo)成S2P文件，再采用Agilent的ADS軟件加入實(shí)際的脈沖信號(hào)源驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。

1 天線系統(tǒng)的建模
    首先給出圓形貼片天線的設(shè)計(jì)公式，當(dāng)天線的工作頻率較低時(shí)(通常低于2 GHz)，圓形微帶貼片的半徑為：
    
    式中：εr為介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)；fr為工作的中心頻率；c為光速。當(dāng)工作頻率較高時(shí)(大于2 GHz時(shí))，貼片的半徑還和介質(zhì)層的厚度有關(guān)，其計(jì)算公式為：
    
    式中：h是介質(zhì)層的厚度。從公式中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于微帶貼片天線基本都存在類(lèi)似的關(guān)系式：即貼片的尺寸和工作頻率成反比。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，基于的項(xiàng)目背景是要求貼片的最大半徑不能大于5 cm，同時(shí)要求在260 MHz左右存在一個(gè)工作點(diǎn)。本文選用的介質(zhì)層材料為Rogers RO3210，它的相對(duì)介電常數(shù)較高為10．2，選擇該材料也是出于減小天線尺寸的考慮。如果按照設(shè)計(jì)公式來(lái)設(shè)計(jì)貼片的半徑，則可知該半徑為17．2 cm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定的半徑上限要求。因此，必須采用額外的手段來(lái)減小天線的尺寸，這里采用的方法是加載短路針，即在適當(dāng)?shù)奈恢蒙霞虞d一個(gè)適當(dāng)孔徑的圓柱形導(dǎo)體，將貼片與參考地之間連接起來(lái)，具體方法之后將詳細(xì)介紹，這里先給出天線系統(tǒng)的整體模型，如圖1所示。微帶貼片的結(jié)構(gòu)基本分為3層：最下層是參考地，中間是介質(zhì)層，最上面是貼片?？紤]到天線的互易特性，建模時(shí)接收天線和發(fā)射天線沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。接下來(lái)的問(wèn)題就是如何正確設(shè)置發(fā)射天線和接收天線。由于設(shè)計(jì)的是天線系統(tǒng)，所以最后想要得到的是整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性，即S21參數(shù)。但以往用HFSS設(shè)計(jì)天線的時(shí)候，基本只考慮S11參數(shù)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的天線只作為一個(gè)一端口元件使用，這里直接將兩個(gè)天線作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，因此必須定義兩個(gè)端口才能得到S21參數(shù)，即一個(gè)是輸入端，另一個(gè)是輸出端。設(shè)計(jì)的天線采用底部饋電方式，它在激勵(lì)端口的設(shè)置中被定義為lumpedport(集總端口激勵(lì))。為了能讓仿真軟件清楚地辨別兩個(gè)天線一個(gè)是作為發(fā)射的，另一個(gè)是作為接收的，所
以要將其中一個(gè)激勵(lì)信號(hào)源的大小調(diào)整為0 V，這樣這個(gè)天線就可作為接收天線來(lái)使用。如果不做這一步，則最后得到的S參數(shù)是2個(gè)天線共同疊加的效果。

華東師范大學(xué)
    圖1中，金屬棒的半徑為8 mm；介質(zhì)層的厚度為1．6 mm，半徑為140 mm；貼片的半徑直接選擇允許的最大尺寸50 mm；饋線的孔徑為O．5 mm；接收天線與發(fā)射天線間的間距為5 mm。這里使用兩個(gè)短路針加載在饋點(diǎn)附近，盡量靠近中心原點(diǎn)，最后確定的孔徑大小為1 mm，高度為1．6 mm。

2 天線系統(tǒng)的仿真結(jié)果
    采用HFSS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)多次對(duì)于短路針位置以及尺寸的嘗試，最終在263 MHz左右出現(xiàn)了比較滿意的結(jié)果，微帶天線的S11達(dá)到了-17 dB，如圖2所示。

    圖3是整個(gè)天線系統(tǒng)的傳輸特性曲線，即S21參數(shù)。發(fā)射天線的輻射方向圖如圖4所示。

3 結(jié)果分析
    設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，短路針的位置和尺寸對(duì)于結(jié)果影響很大。研究結(jié)果表明，加載短路針可以有效減低天線的工作頻率。本文嘗試了很多次后，大致總結(jié)的規(guī)律如下：如果固定短路針的位置，則短路針的尺寸(這里主要是孔徑的大小)越小，頻率下降得越多；如果固定短路針的孔徑大小，則短路針越是靠近饋點(diǎn)或是中心時(shí)，頻率下降得越多；相反越是遠(yuǎn)離中心，頻率下降的幅度也越小。由輻射方向圖可以發(fā)現(xiàn)，微帶天線的中間被一個(gè)導(dǎo)體金屬棒打穿，因此該位置的輻射能量為0，原來(lái)輻射能量強(qiáng)的地方由于受到金屬棒的影響，被“擠”向兩端，成為兩個(gè)橢球的形狀，提高了方向性。由S21傳輸參數(shù)圖可以發(fā)現(xiàn)，頻率在265 MHz左右時(shí)，衰減大約是-9.5dB(插入損耗)，在該頻率范圍內(nèi)可以進(jìn)行能量的傳輸。

4 導(dǎo)入ADS驗(yàn)證仿真結(jié)果
    在HFSS中完成仿真結(jié)果后，可以將其S參數(shù)矩陣導(dǎo)成SNP文件的格式，SNP格式是幾個(gè)常用微波射頻仿真軟件通用的格式文件。其中，N是端口號(hào)。對(duì)于設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)二端口元件，所以導(dǎo)出的是S2P文件。然后在ADS中使用一個(gè)二端口的symbol來(lái)裝載其S2P文件就可以具有該特性，并用一個(gè)脈沖信號(hào)源進(jìn)行驗(yàn)證。這里選用信號(hào)源的頻率是263 MHz，定義好了上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間，占空比設(shè)置為1／2，使用瞬態(tài)仿真器查看信號(hào)時(shí)域的非線性特性曲線，其曲線圖如圖5所示。

    從圖中可以發(fā)現(xiàn)，1 V的輸入信號(hào)，輸出變?yōu)?．7 V左右，信號(hào)經(jīng)歷了一個(gè)從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。在輸出端波形上有一定的失真，能量基本被傳輸，而且時(shí)延也很小，不會(huì)影響判決門(mén)限。但是輸入的方波信號(hào)通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)后變成了類(lèi)似三角波的信號(hào)，所以后續(xù)信號(hào)的處理中要加上一個(gè)整形電路。接著本文又改變了信號(hào)源的頻率，此時(shí)不在天線的工作頻率范圍內(nèi)，重新做一次仿真，仿真結(jié)果與預(yù)期的一樣，輸出信號(hào)只有0．13 V，能量通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)大部分都被衰減了，該頻率點(diǎn)上無(wú)法進(jìn)行信號(hào)的傳輸，如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)天線系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)于端口激勵(lì)的正確設(shè)置得到系統(tǒng)的傳輸參數(shù)。從宏觀上總結(jié)出了短路針的位置及大小對(duì)于天線頻率的影響，最后利用ADS協(xié)同仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)天線系統(tǒng)的實(shí)際傳輸特性?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的天線，工作帶寬不是很寬，這里設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)帶寬在10～15 MHz左右，但S21和S11達(dá)到了令人滿意的結(jié)果，可以在期望頻率處得到預(yù)期的能量傳輸。