摘 要：介紹了一種工作頻率為243 GHz的圓極化四單元矩形微帶天線陣的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)天線單元采用正交饋電激勵(lì)起兩個(gè)極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波從而使天線單元獲得圓極化波。在利用圓極化條件確定天線尺寸基礎(chǔ)上，借助Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

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關(guān)鍵詞：圓極化;微帶天線陣;正交饋電;回波損耗

中圖分類號(hào)： TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0107102

Design of Circular Polarization Microstrip Antenna Array Using Ansoft HFSS

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WEI Hongliang1，DUAN Wentao1，LI Simin2

(1.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China;

2.Office of University Presidents， Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

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Abstract：A four element of circular polarization microstrip antenna array is designed，whose operating frequency is 243 GHz.The circular polarization wave can be obtained through orthogonal feed to the antenna element.It then excites two linear polarization waves that orthogonal in direction of polarization，the two linear polarization waves have the same amplitude and phase difference 90°.On the basis of circular polarization and antenna dimension，the antenna performance can be simulated with the Ansoft HFSS.Compared with the simulation to the experimental result，the result data is good.

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Keywords：circular polarization;microstrip antenna array;orthogonal feed;return loss

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1 引 言

微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、成本低、體積小、重量輕、低剖面等特點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)輻射器、射頻識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用^[1]。本文設(shè)計(jì)的四單元微帶天線陣是應(yīng)用在射頻識(shí)別閱讀器中的，由于一般標(biāo)簽天線為線極化，為保證標(biāo)簽天線能夠隨意地旋轉(zhuǎn)而不影響系統(tǒng)接受能量的效率，往往把閱讀器天線設(shè)計(jì)為圓極化。Ansoft HFSS是一個(gè)用于任意三維無源器件的高性能的全波電磁場(chǎng)仿真器，他采用類似于Microsoft Windows的圖形用戶界面。最近幾年，Ansoft HFSS發(fā)展了許多新的使用者和工業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)界，Ansoft HFSS已經(jīng)成為選擇高生產(chǎn)率研究、發(fā)展和虛擬原始模型的工具。本文首先對(duì)正交饋電的圓極化天線陣元做了簡單的理論分析，并給出了計(jì)算貼片尺寸的方法，通過Ansoft HFSS軟件對(duì)天線陣元以及天線陣進(jìn)行仿真，得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合的結(jié)果。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 天線陣元理論分析

微帶天線要獲得圓極化波的關(guān)鍵是，激勵(lì)起兩個(gè)極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。利用微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有以下幾種方式：

(1) 正交饋電的單片圓極化微帶天線；

(2) 一點(diǎn)饋電或多點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線；

(3) 由曲線微帶構(gòu)成的寬頻帶圓極化微帶天線；

(4) 微帶天線陣構(gòu)成的圓極化微帶天線^[2]。

本文對(duì)天線單元的設(shè)計(jì)采用的是雙正交饋電矩形微帶天線。雙饋電方式是獲得圓極化輻射的最直接方法，這種方法是采用兩個(gè)饋電點(diǎn)來激勵(lì)兩個(gè)極化正交的簡并模，并由饋電網(wǎng)絡(luò)保證兩模的振幅相等，相位差為90°，這樣就滿足圓極化條件^[3]。

圖1所示是采用正交饋電的圓極化微帶天線的最簡單的實(shí)現(xiàn)方法。兩支路分別激勵(lì)TM01和TM10模，兩者的輸入電阻分別為Ra和Rb，且有Ra=Rb。

各段饋線的特性阻抗以及長度按下列關(guān)系設(shè)計(jì)：

這種圓極化天線的電壓駐波比帶寬比一般矩形貼片的要寬2倍以上，但其圓極化帶寬仍較窄，軸比≤3 dB的圓極化帶寬約34%。方形微帶貼片的大小可按如下方法設(shè)計(jì)：工作于主模TM01模矩形微帶天線貼片長度L近似為λg/2，λg為介質(zhì)內(nèi)波長。λg=λ0/εe，λ0為自由空間波長，εe為有效介電常數(shù)，εe可表示成:

2.2 天線陣列建模及仿真結(jié)果

按照上述天線陣元的理論分析所設(shè)計(jì)的天線陣元在諧振頻率、駐波、軸比均滿足陣列設(shè)計(jì)要求。對(duì)天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)饋電形式，在饋電網(wǎng)絡(luò)中利用兩級(jí)二功率分配器進(jìn)行饋電，以保證各陣元的饋電電壓的等幅同相，為了達(dá)到最佳匹配效果，加入λg/4阻抗匹配器對(duì)饋線進(jìn)行逐段匹配使整個(gè)天線陣系統(tǒng)的輸入駐波較小，天線效率較高。最終天線陣列的仿真模型如圖2所示。

通過軟件仿真，可得最終微帶天線陣列的回波損耗(Return Loss)、軸比Ax以及E面方向圖，如圖3~圖5所示。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果及比較

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，加工了一幅正交饋電方形微帶貼片天線陣，并進(jìn)行了測(cè)試。最終樣品在中心頻率處VSWR=123，Gain=129 dBi，2θE3Db=40°。圖6為微帶天線陣列實(shí)物照片，圖7為天線實(shí)驗(yàn)所測(cè)的反射損耗，圖8為在微波暗室所測(cè)方向圖。可以看出，

4 結(jié) 語

本文應(yīng)用Ansoft HFSS軟件仿真設(shè)計(jì)了一種工作于243 GHz的圓極化方形微帶天線陣，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果較好吻合，這說明Ansoft HFSS軟件具有數(shù)學(xué)模型正確、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的天線設(shè)計(jì)工具， 這就為微帶天線設(shè)計(jì)提供了一種可以選擇的高效途徑，極大地簡化了天線的分析設(shè)計(jì)過程。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1990.

［2］張鈞，劉克誠，張賢嶧.微帶天線理論與工程[M].北京:國防工業(yè)出版社，1988.

［3］Prakash Bhartic，Inder Bahl.Microstrip Antenna Design Handbook.Artech House Inc，2001.

［4］User′s Guide-High Frequency Structure Simulator.

［5］羅遠(yuǎn)祉，陽建平，鐘順時(shí).圓極化微帶天線的理論和實(shí)驗(yàn)[J].通信學(xué)報(bào)，1989，10(4):20-27.

［6］Huang C Y.Desgigns for Aperture-coupled Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna.IEEE Proc.Microware Antenna Propag.，1999，146 (1).

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作者簡介 魏宏亮 男，1982年出生，湖北人，碩士。主要從事天線設(shè)計(jì)研究。

段文濤 男，1982年出生，河南人，碩士。主要從事寬帶小型化天線的研究。

李思敏 男，1963年出生，江蘇人，桂林電子科技大學(xué)教授，中國電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。主要從事電磁場(chǎng)理論、天線設(shè)計(jì)與理論的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>