摘要：針對一個圓環(huán)形微帶貼片天線構成的天線系統(tǒng)，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(tǒng)的模型，找到符合要求的天線系統(tǒng)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(tǒng)的傳輸特性。
關鍵詞：圓環(huán)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(tǒng)，即要有一對收發(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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(guī)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(tǒng)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(fā)射天線沒有本質的區(qū)別。接下來的問題就是如何正確設置發(fā)射天線和接收天線。由于設計的是天線系統(tǒng)，所以最后想要得到的是整個系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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。

華東師范大學
    圖1中，金屬棒的半徑為8 mm；介質層的厚度為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。這里使用兩個短路針加載在饋點附近，盡量靠近中心原點，最后確定的孔徑大小為1 mm，高度為1．6 mm。

2 天線系統(tǒng)的仿真結果
    采用HFSS對系統(tǒng)進行仿真，經過多次對于短路針位置以及尺寸的嘗試，最終在263 MHz左右出現了比較滿意的結果，微帶天線的S11達到了-17 dB，如圖2所示。

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

3 結果分析
    設計過程中發(fā)現，短路針的位置和尺寸對于結果影響很大。研究結果表明，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或是中心時，頻率下降得越多；相反越是遠離中心，頻率下降的幅度也越小。由輻射方向圖可以發(fā)現，微帶天線的中間被一個導體金屬棒打穿，因此該位置的輻射能量為0，原來輻射能量強的地方由于受到金屬棒的影響，被“擠”向兩端，成為兩個橢球的形狀，提高了方向性。由S21傳輸參數圖可以發(fā)現，頻率在265 MHz左右時，衰減大約是-9.5dB(插入損耗)，在該頻率范圍內可以進行能量的傳輸。

4 導入ADS驗證仿真結果
    在HFSS中完成仿真結果后，可以將其S參數矩陣導成SNP文件的格式，SNP格式是幾個常用微波射頻仿真軟件通用的格式文件。其中，N是端口號。對于設計的天線系統(tǒng)來說，是一個二端口元件，所以導出的是S2P文件。然后在ADS中使用一個二端口的symbol來裝載其S2P文件就可以具有該特性，并用一個脈沖信號源進行驗證。這里選用信號源的頻率是263 MHz，定義好了上升沿時間和下降沿時間，占空比設置為1／2，使用瞬態(tài)仿真器查看信號時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，1 V的輸入信號，輸出變?yōu)?．7 V左右，信號經歷了一個從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程。在輸出端波形上有一定的失真，能量基本被傳輸，而且時延也很小，不會影響判決門限。但是輸入的方波信號通過這個系統(tǒng)后變成了類似三角波的信號，所以后續(xù)信號的處理中要加上一個整形電路。接著本文又改變了信號源的頻率，此時不在天線的工作頻率范圍內，重新做一次仿真，仿真結果與預期的一樣，輸出信號只有0．13 V，能量通過這個系統(tǒng)時大部分都被衰減了，該頻率點上無法進行信號的傳輸，如圖6所示。

5 結語
    本文設計了一個天線系統(tǒng)，通過對于端口激勵的正確設置得到系統(tǒng)的傳輸參數。從宏觀上總結出了短路針的位置及大小對于天線頻率的影響，最后利用ADS協(xié)同仿真來驗證設計天線系統(tǒng)的實際傳輸特性?？梢园l(fā)現，對于這種結構的天線，工作帶寬不是很寬，這里設計的天線系統(tǒng)帶寬在10～15 MHz左右，但S21和S11達到了令人滿意的結果，可以在期望頻率處得到預期的能量傳輸。