基于数据传输的小型天线系统研究

摘要：针对一个圆环形微带贴片天线构成的天线系统，出于天线尺寸小型化的要求，通过适当地加入短路针可以使得该天线在较低的频率点处出现谐振峰。仿真结果表明，短路针孔径的大小以及加载的位置会直接影响天线的谐振频率。首先基于HFSS软件设计出天线系统的模型，找到符合要求的天线系统的S参数后将其导成S2P格式文件，并总结出短路针的位置及尺寸对于天线工作在低频处的影响，最后应用ADS软件加入脉冲信号源验证天线系统的传输特性。
关键词：圆环形微带贴片天线；短路针；S参数；HFSS；ADS

    微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的天线。导体薄片的形状可以是方形、矩形、圆形或椭圆形等。由于它要构成一个天线系统，即要有一对收发天线，而且收发天线之间用一根金属棒连接，所以采用的贴片是圆环形贴片。但是在实际应用中，如果要求天线工作在低于2 GHz的频率范围内时，贴片天线的尺寸会显得较大。这里由于项目背景的要求，使得天线的最大尺寸基本确定，而且要求天线系统的最低工作频率可以达到260 MHz左右。为了解决天线小型化问题，采用了加载短路针的方法。本文先通过Ansoft的HFSS软件进行建模，完成一个完整的天线系统模型，并仿真得出其S参数，然后将其导成S2P文件，再采用Agilent的ADS软件加入实际的脉冲信号源验证设计结果。

1 天线系统的建模
    首先给出圆形贴片天线的设计公式，当天线的工作频率较低时(通常低于2 GHz)，圆形微带贴片的半径为：
    
    式中：εr为介质层的相对介电常数；fr为工作的中心频率；c为光速。当工作频率较高时(大于2 GHz时)，贴片的半径还和介质层的厚度有关，其计算公式为：
    
    式中：h是介质层的厚度。从公式中不难发现，对于微带贴片天线基本都存在类似的关系式：即贴片的尺寸和工作频率成反比。在这个设计中，基于的项目背景是要求贴片的最大半径不能大于5 cm，同时要求在260 MHz左右存在一个工作点。本文选用的介质层材料为Rogers RO3210，它的相对介电常数较高为10．2，选择该材料也是出于减小天线尺寸的考虑。如果按照设计公式来设计贴片的半径，则可知该半径为17．2 cm左右，远远超出了规定的半径上限要求。因此，必须采用额外的手段来减小天线的尺寸，这里采用的方法是加载短路针，即在适当的位置上加载一个适当孔径的圆柱形导体，将贴片与参考地之间连接起来，具体方法之后将详细介绍，这里先给出天线系统的整体模型，如图1所示。微带贴片的结构基本分为3层：最下层是参考地，中间是介质层，最上面是贴片。考虑到天线的互易特性，建模时接收天线和发射天线没有本质的区别。接下来的问题就是如何正确设置发射天线和接收天线。由于设计的是天线系统，所以最后想要得到的是整个系统的传输特性，即S21参数。但以往用HFSS设计天线的时候，基本只考虑S11参数，因为设计的天线只作为一个一端口元件使用，这里直接将两个天线作为一个系统来看，因此必须定义两个端口才能得到S21参数，即一个是输入端，另一个是输出端。设计的天线采用底部馈电方式，它在激励端口的设置中被定义为lumpedport(集总端口激励)。为了能让仿真软件清楚地辨别两个天线一个是作为发射的，另一个是作为接收的，所
以要将其中一个激励信号源的大小调整为0 V，这样这个天线就可作为接收天线来使用。如果不做这一步，则最后得到的S参数是2个天线共同叠加的效果。

华东师范大学
    图1中，金属棒的半径为8 mm；介质层的厚度为1．6 mm，半径为140 mm；贴片的半径直接选择允许的最大尺寸50 mm；馈线的孔径为O．5 mm；接收天线与发射天线间的间距为5 mm。这里使用两个短路针加载在馈点附近，尽量靠近中心原点，最后确定的孔径大小为1 mm，高度为1．6 mm。

2 天线系统的仿真结果
    采用HFSS对系统进行仿真，经过多次对于短路针位置以及尺寸的尝试，最终在263 MHz左右出现了比较满意的结果，微带天线的S11达到了-17 dB，如图2所示。

    图3是整个天线系统的传输特性曲线，即S21参数。发射天线的辐射方向图如图4所示。

3 结果分析
    设计过程中发现，短路针的位置和尺寸对于结果影响很大。研究结果表明，加载短路针可以有效减低天线的工作频率。本文尝试了很多次后，大致总结的规律如下：如果固定短路针的位置，则短路针的尺寸(这里主要是孔径的大小)越小，频率下降得越多；如果固定短路针的孔径大小，则短路针越是靠近馈点或是中心时，频率下降得越多；相反越是远离中心，频率下降的幅度也越小。由辐射方向图可以发现，微带天线的中间被一个导体金属棒打穿，因此该位置的辐射能量为0，原来辐射能量强的地方由于受到金属棒的影响，被“挤”向两端，成为两个椭球的形状，提高了方向性。由S21传输参数图可以发现，频率在265 MHz左右时，衰减大约是-9.5dB(插入损耗)，在该频率范围内可以进行能量的传输。

4 导入ADS验证仿真结果
    在HFSS中完成仿真结果后，可以将其S参数矩阵导成SNP文件的格式，SNP格式是几个常用微波射频仿真软件通用的格式文件。其中，N是端口号。对于设计的天线系统来说，是一个二端口元件，所以导出的是S2P文件。然后在ADS中使用一个二端口的symbol来装载其S2P文件就可以具有该特性，并用一个脉冲信号源进行验证。这里选用信号源的频率是263 MHz，定义好了上升沿时间和下降沿时间，占空比设置为1／2，使用瞬态仿真器查看信号时域的非线性特性曲线，其曲线图如图5所示。

    从图中可以发现，1 V的输入信号，输出变为0．7 V左右，信号经历了一个从暂态到稳态的过程。在输出端波形上有一定的失真，能量基本被传输，而且时延也很小，不会影响判决门限。但是输入的方波信号通过这个系统后变成了类似三角波的信号，所以后续信号的处理中要加上一个整形电路。接着本文又改变了信号源的频率，此时不在天线的工作频率范围内，重新做一次仿真，仿真结果与预期的一样，输出信号只有0．13 V，能量通过这个系统时大部分都被衰减了，该频率点上无法进行信号的传输，如图6所示。

5 结语
    本文设计了一个天线系统，通过对于端口激励的正确设置得到系统的传输参数。从宏观上总结出了短路针的位置及大小对于天线频率的影响，最后利用ADS协同仿真来验证设计天线系统的实际传输特性。可以发现，对于这种结构的天线，工作带宽不是很宽，这里设计的天线系统带宽在10～15 MHz左右，但S21和S11达到了令人满意的结果，可以在期望频率处得到预期的能量传输。