陳琳 郭珂 張雨 桂松

【摘要】 本文針對圓極化陶瓷微帶天線仿真優(yōu)化時間長，優(yōu)化效果不佳的問題，提出仿真過程中增加簡并分離系數(shù)a與饋電因子系數(shù)b的方法。該方法有效提高圓極化陶瓷微帶天線的仿真效率，縮短優(yōu)化時間。本文詳細(xì)介紹了中心頻率為0.93GHz圓極化陶瓷微帶天線的仿真過程，并對天線性能進(jìn)行初步分析。

【關(guān)鍵詞】 HFSS 圓極化陶瓷微帶天線 仿真

An HFSS simulation research of 0.93 GHz circular polarization ceramics micro strip antenna

Abstract： Aiming to solve the problem of circular polarization micro strip antenna simulation which takes a long time of simulation and unable to deliver the good results， this paper puts forward a novel method that adds separation factor ‘a(chǎn) and feeding factor‘b during the process simulation. This technique effectively improves the simulation efficiency of circularly polarized micro strip antenna ceramics and shortens the optimization time. This article introduces the center frequency of 0.93 GHz circular micro strip antenna ceramic simulation process， and a preliminary analysis on the antenna performance.

Key words： HFSS， Circular polarized ceramics microstrip antenna， simulation

一、引言

微帶天線是Deschamps于1953年提出，它是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長的介質(zhì)基片的一面敷以金屬輻射片、一面敷以金屬薄層作接地板而成；輻射貼片可以根據(jù)不同的設(shè)計要求設(shè)計成各種形狀[1]。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、體積小，易于制造和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在RFID系統(tǒng)中。RFID （Radio Frequency Identification），射頻識別技術(shù)，是一種利用空間耦合（交變電磁場）的射頻信號實(shí)現(xiàn)信號的無線傳遞，以達(dá)到識別目的。最基本的RFID系統(tǒng)由閱讀器，天線和標(biāo)簽組成。RFID系統(tǒng)讀寫器天線為能全面識別多種極化方式天線，一般采用圓極化方式。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展， RFID在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，對天線也提出更高的要求，其中之一就是減小天線體積。影響微帶天線體積的一大因素是微帶天線的介質(zhì)基片，采用介電常數(shù)較大的介質(zhì)基片能減小微帶天線體積?；诖耍疚慕榻B一種介質(zhì)基片為介電常數(shù)較大的陶瓷，極化方式為圓極化的微帶天線的仿真方法，仿真效率有效提高，達(dá)到較為理想的仿真效果。

二、微帶天線參數(shù)分析

微帶天線理論上可以采用傳輸線模型來分析其性能。微帶輻射貼片尺寸可根據(jù)微帶天線的設(shè)計要求，即微帶天線的中心頻率，介質(zhì)基片厚度與介質(zhì)基片類型進(jìn)行初步估算。由介質(zhì)基片參數(shù)，根據(jù)以下公式計算輻射貼片的的初始尺寸[1]假設(shè)天線矩形貼片的有效長度Le設(shè)為

本文仿真天線參數(shù)：中心頻率為0.93GHz，介質(zhì)基片采用厚度為5mm的陶瓷（Al2O3），相對介電常數(shù)為9.8，天線的饋電方式為同軸線饋電。根據(jù)以上的公式算出天線的大致初始尺寸：寬度W=69.4mm，長度L=50.7mm。

三、圓極化天線的實(shí)現(xiàn)

圓極化的關(guān)鍵是激勵起兩個極化方式正交的線極化波，當(dāng)這兩個模式的線極化波幅度相等、相位相差90°時，就能得到圓極化波的輻射.單饋點(diǎn)圓極化微帶天線無需任何外加的相移網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就能實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。單饋點(diǎn)圓極化微帶天線一般可用切角，似方形貼片，貼片上刻縫隙，外置微擾枝節(jié)與分裂縫隙等方式實(shí)現(xiàn)圓極化[2]。本文采用單點(diǎn)饋電似方形貼片實(shí)現(xiàn)圓極化，介紹采用該方法實(shí)現(xiàn)圓極化的仿真內(nèi)容。

假設(shè)輻射貼片的諧振長度為Lc，微調(diào)諧振長度略偏離諧振，即一邊長度為Lc+Delta，另一邊長度為Lc-Delta。前者對應(yīng)一個容抗Y1=G-jB，后者對應(yīng)一個感抗Y1=G+jB，調(diào)整Delta的值，使得每一組的電抗分量等于阻抗的實(shí)數(shù)部分，即B=G，則兩阻抗大小相等，相位分別為-45°和+45°，即滿足圓極化條件。Kalio和Carver Coffey研究證明，理論上當(dāng)L/W=1.029，即Delta=0.0143Lc時，TM01和TM10兩個模式的相位差為90°。單點(diǎn)饋電似方形貼片微帶天線的饋電點(diǎn)位于輻射貼片對角線

上[1]。

四、HFSS天線建模與參數(shù)設(shè)置

HFSS 是 Ansoft 公司發(fā)行的，世界上第一款商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Ansoft HFSS利用FEM（FiniteElement Method）有限元法，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)和可視化圖像，可為天線設(shè)計提供全面的仿真功能，精確仿真計算天線的各種性能參數(shù)，包括二維、三維輻射方向圖、天線增益、軸比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場分布、天線阻抗、電壓駐波比、S 參數(shù)等[3]。由式（1）～（5）計算所得初步天線輻射貼片諧振長度Lc=50.7mm。該諧振長度為一近似值。圓極化的實(shí)現(xiàn)不僅與似方形貼片的簡并分離單元大小相關(guān)，同時也與饋電點(diǎn)的位置相關(guān)。因此針對這兩個因素設(shè)置兩個變量。理論上Delta=0.0143Lc，但因諧振長度為近似值，根據(jù)Delta=0.0143Lc仿真需要較長時間進(jìn)行優(yōu)化，且所得結(jié)果不理想，基于此增加簡并分離系數(shù)a，即Delta=a*Lc。簡并分離系數(shù)的大小接近理論上的0.0143。因單點(diǎn)饋電似方形貼片微帶天線的50Ω饋電點(diǎn)位于輻射貼片對角線上，所以增加饋電因子系數(shù)b，即饋電點(diǎn)的位置L1=-b*L0，L2=b*L0。饋電因子系數(shù)b的大小在0.11～0.15之間。

在HFSS中新建設(shè)計工程，添加和定義相關(guān)設(shè)計變量如圖2所示，再設(shè)計建模，建模過程一般步驟為創(chuàng)建介質(zhì)基片2L0*2W0*H，創(chuàng)建輻射貼片L0*W0，創(chuàng)建參考地2L0*2W0，創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯，饋電中心（-L1，L2），創(chuàng)建信號傳輸端口面，完成建模過程后，設(shè)置邊界條件，將輻射貼片Patch和參考地GND設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界，設(shè)置輻射邊界條件，邊界條件設(shè)置完畢后，進(jìn)行端口激勵設(shè)置，把端口平面Port設(shè)置集總端口激勵。最后進(jìn)行求解設(shè)置，求解頻率設(shè)置為0.93GHz，同時添加0.85GHz～1.05GHz的掃頻設(shè)置。模型建立過程結(jié)束，天線模型如圖3所示，設(shè)計檢查后即可進(jìn)行運(yùn)行仿真計算。在建立模型中應(yīng)注意不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)設(shè)置，介質(zhì)基片中應(yīng)減去同軸饋線的體積，參考地面應(yīng)減去圓面Port。不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)設(shè)置將影響天線的工作狀態(tài)及性能。

五、HFSS目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化及天線性能分析

查看天線的諧振頻率，分析同軸饋電點(diǎn)和輸入阻抗的關(guān)系，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計找到最佳阻抗匹配點(diǎn)。本文仿真的優(yōu)化設(shè)計有三個變量，即輻射貼片諧振長度Lc， 簡并分離系數(shù)a，饋電因子系數(shù)b。添加dB（S（1，1）），dB（AxialRatio Value）為目標(biāo)函數(shù)。經(jīng)過優(yōu)化后，函數(shù)cost為0.148，理論上該值為0，可見優(yōu)化效果良好。

5.1 S11掃頻分析結(jié)果

從圖中可見，天線在中心頻率上0.93GHz的值為-20.2255dB，小于-10dB，S11<-10dB的帶寬為 （0.9445-0.9216 ）/0.93=2.46%

5.2 S11的Smith圓圖結(jié)果

從圓圖可以看出，0.93GHz時天線的歸一化輸入阻抗為（1.0409+0.1955j）Ω，阻抗匹配程度較好，良好的阻抗匹配有利于功率的傳輸，提高工作效率。

5.3天線軸比隨頻率的變化關(guān)系

此次仿真得到的天線軸比為1.1727，當(dāng)天線的極化方式為圓極化時，理論軸比應(yīng)等于1，即長軸與短軸相等。因此仿真時軸比是圓極化天線的重要性能指標(biāo)。當(dāng)軸比大于3時，則該天線的極化方式時線極化不是圓極化。此次仿真軸比1.1712接近1，該天線的圓極化效果良好。

5.4三維增益方向圖

六、結(jié)語

本文基于HFSS對0.93GHz圓極化陶瓷微帶天線進(jìn)行了仿真，天線軸比為1.1727，天線歸一化輸入阻抗為（1.0409+0.1955j）Ω，在中心頻率0.93GHz上的S11值為-20.2258。說明在仿真過程中增加簡并分離系數(shù)a與饋電因子系數(shù)b可實(shí)現(xiàn)圓極化天線的仿真，減少仿真計算量，提高仿真效率。

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