基于數據傳輸的小型天線系統研究

摘要：針對一個圓環形微帶貼片天線構成的天線系統，出于天線尺寸小型化的要求，通過適當地加入短路針可以使得該天線在較低的頻率點處出現諧振峰。仿真結果表明，短路針孔徑的大小以及加載的位置會直接影響天線的諧振頻率。首先基于HFSS軟件設計出天線系統的模型，找到符合要求的天線系統的S參數后將其導成S2P格式文件，并總結出短路針的位置及尺寸對于天線工作在低頻處的影響，最后應用ADS軟件加入脈沖信號源驗證天線系統的傳輸特性。
關鍵詞：圓環形微帶貼片天線；短路針；S參數；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，它是由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質板上形成的天線。導體薄片的形狀可以是方形、矩形、圓形或橢圓形等。由于它要構成一個天線系統，即要有一對收發天線，而且收發天線之間用一根金屬棒連接，所以采用的貼片是圓環形貼片。但是在實際應用中，如果要求天線工作在低于2 GHz的頻率范圍內時，貼片天線的尺寸會顯得較大。這里由于項目背景的要求，使得天線的最大尺寸基本確定，而且要求天線系統的最低工作頻率可以達到260 MHz左右。為了解決天線小型化問題，采用了加載短路針的方法。本文先通過Ansoft的HFSS軟件進行建模，完成一個完整的天線系統模型，并仿真得出其S參數，然后將其導成S2P文件，再采用Agilent的ADS軟件加入實際的脈沖信號源驗證設計結果。

1 天線系統的建模
首先給出圓形貼片天線的設計公式，當天線的工作頻率較低時(通常低于2 GHz)，圓形微帶貼片的半徑為：

式中：εr為介質層的相對介電常數；fr為工作的中心頻率；c為光速。當工作頻率較高時(大于2 GHz時)，貼片的半徑還和介質層的厚度有關，其計算公式為：

式中：h是介質層的厚度。從公式中不難發現，對于微帶貼片天線基本都存在類似的關系式：即貼片的尺寸和工作頻率成反比。在這個設計中，基于的項目背景是要求貼片的最大半徑不能大于5 cm，同時要求在260 MHz左右存在一個工作點。本文選用的介質層材料為Rogers RO3210，它的相對介電常數較高為10．2，選擇該材料也是出于減小天線尺寸的考慮。如果按照設計公式來設計貼片的半徑，則可知該半徑為17．2 cm左右，遠遠超出了規定的半徑上限要求。因此，必須采用額外的手段來減小天線的尺寸，這里采用的方法是加載短路針，即在適當的位置上加載一個適當孔徑的圓柱形導體，將貼片與參考地之間連接起來，具體方法之后將詳細介紹，這里先給出天線系統的整體模型，如圖1所示。微帶貼片的結構基本分為3層：最下層是參考地，中間是介質層，最上面是貼片?？紤]到天線的互易特性，建模時接收天線和發射天線沒有本質的區別。接下來的問題就是如何正確設置發射天線和接收天線。由于設計的是天線系統，所以最后想要得到的是整個系統的傳輸特性，即S21參數。但以往用HFSS設計天線的時候，基本只考慮S11參數，因為設計的天線只作為一個一端口元件使用，這里直接將兩個天線作為一個系統來看，因此必須定義兩個端口才能得到S21參數，即一個是輸入端，另一個是輸出端。設計的天線采用底部饋電方式，它在激勵端口的設置中被定義為lumpedport(集總端口激勵)。為了能讓仿真軟件清楚地辨別兩個天線一個是作為發射的，另一個是作為接收的，所
以要將其中一個激勵信號源的大小調整為0 V，這樣這個天線就可作為接收天線來使用。如果不做這一步，則最后得到的S參數是2個天線共同疊加的效果。