运用AnsoftHFSS设计圆极化微带天线阵

运用 Ansof t HFSS 设计圆极化微带天线阵 魏宏亮1 ,段文涛1 ,李思敏2 (1.桂林电子科技大学 信息与通信学院 　广西 桂林 　541004 ;2. 桂林电子科技大学 校长办公室 　广西 桂林 　541004) 摘 　要 :介绍了一种工作频率为 2143 GHz 的圆极化四单元矩形微带天线阵的设计方法。通过对天线单元采用正交馈 电激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差 90°的线极化波从而使天线单元获得圆极化波。在利用圆极化条件确 定天线尺寸基础上 ,借助 Ansoft HFSS 仿真软件对天线进行了仿真 ,仿真结果和实验结果基本一致。 关键词 :圆极化 ;微带天线阵 ;正交馈电 ;回波损耗 中图分类号 : TN82 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :1004 - 373X(2008) 01 - 071 - 02 Design of Circular Polarization Microstrip Antenna Array Using Ansoft HFSS WEI Hongliang1 ,DUAN Wentao1 ,L I Simin2 (1. School of Information and Communication , Guilin University of Elect ronic Technology , Guilin ,541004 ,China ; 2. Office of University President s , Guilin University of Elect ronic Technology , Guilin ,541004 ,China) Abstract :A four element of circular polarization microst rip antenna array is designed ,whose operating f requency is 2143 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. Keywords :circular polarization ;microst rip antenna array ;orthogonal feed ;return loss 收稿日期 :2007 - 07 - 23 1 　引 　言 微带天线具有结构简单、易于制作、成本低、体积小、 重量轻、低剖面等特点 ,在卫星通信、雷达、生物医学辐射 器、射频识别等领域得到了广泛的应用[1 ] 。本文设计的四 单元微带天线阵是应用在射频识别阅读器中的 ,由于一般 标签天线为线极化 ,为保证标签天线能够随意地旋转而不 影响系统接受能量的效率 ,往往把阅读器天线设计为圆极 化。Ansoft HFSS 是一个用于任意三维无源器件的高性 能的全波电磁场仿真器 ,他采用类似于 Microsoft Win2 dows 的图形用户界面。最近几年 , Ansoft HFSS 发展了 许多新的使用者和工业领域。在工业界 ,Ansoft HFSS 已 经成为选择高生产率研究、发展和虚拟原始模型的工具。 本文首先对正交馈电的圆极化天线阵元做了简单的理论 分析 ,并给出了计算贴片尺寸的方法 ,通过 Ansoft HFSS 软件对天线阵元以及天线阵进行仿真 ,得到了与实验结果 比较吻合的结果。 2 　设计原理 2. 1 　天线阵元理论分析 微带天线要获得圆极化波的关键是 ,激励起两个极化 方向正交的、幅度相等的、相位相差 90°的线极化波。利用 微带天线实现圆极化辐射主要有以下几种方式 : (1) 正交馈电的单片圆极化微带天线 ; (2) 一点馈电或多点馈电的单片圆极化微带天线 ; (3) 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线 ; (4) 微带天线阵构成的圆极化微带天线[2 ] 。 本文对天线单元的设计采用的是双正交馈电矩形微 带天线。双馈电方式是获得圆极化辐射的最直接方法 ,这 种方法是采用两个馈电点来激励两个极化正交的简并模 , 并由馈电网络保证两模的振幅相等 ,相位差为 90°,这样就 满足圆极化条件[3 ] 。 图 1 所示是采用正交馈电的圆极化微带天线的最简 单的实现方法。两支路分别激励 TM01和 TM10模 ,两者的 输入电阻分别为 R a 和 R b ,且有 R a = Rb。 各段馈线的特性阻抗以及长度按下列关系设计 : Z1 = Z2 = R a Z3 Z3 = Z4 = 2 Z0 L 1 = L 2 = λgZ1 / 4 ( L 4 + L 5 ) - L 3 = λgZ3 / 4 　　这种圆极化天线的电压驻波比带宽比一般矩形贴片 的要宽 2 倍以上 ,但其圆极化带宽仍较窄 ,轴比 ≤3 dB 的 圆极化带宽约 314 %。方形微带贴片的大小可按如下方 法设计 :工作于主模 TM01模矩形微带天线贴片长度 L 近 似为λg/ 2 ,λg 为介质内波长。λg =λ0 / εe ,λ0 为自由空间波 长 ,εe 为有效介电常数 ,εe 可表示成 : 17 《现代电子技术》2008 年第 1 期总第 264 期 　þ 通信与信息技术 ü © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net εe = εr + 12 + εr - 1 2 1 + 10 h W - 1/ 2 (1) W = c2 f r εr + 1 2 - 1/ 2 (2) 其中 c 为光速 , f r 为谐振频率 : L = 015λg - 2ΔL 或 L = c 2 f r εe - 2ΔL (3) 式中ΔL 可由下式求得 : ΔL h = 01412 (εe + 013) Wh + 01264(εe - 01258) Wh + 0 . 8 (4) 　　对于本文中方形贴片尺寸可按如下方法计算求得 :首 先将工作频率 f r , 基板的高度 h 以及介电常数εr 代入 式 (1) ～式 (4) 中求得一阶近似 L 1 ,然后以 L 1 作为 W 再联 立式 (1) ,式 (3) ,式 (4) 求得二阶近似 L 2 ,如此循环 ,直至 L n/ L n- 1 ≤0129 % ,此时可以把 L n 作为代入 Ansoft HFSS 仿真中方形贴片的大小 W p 。本文中工作频率 f r = 2143 GHz ,基板的高度 h = 116 mm ,基板的介电常数εr = 2155 ,按上述方法计算的 W p = 3716 mm ,以 W p = 3716 mm 为贴片尺寸在 Ansoft HFSS 进行建模仿真所得的工 作频率 f 0 = 21420 GHz ,工作频率处的 VSWR = 112 ,轴比 A x = 115 ,通过仿真结果 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了以上计算方法的正确性。 图 1 　正交馈电的圆极化微带天线 　　 图 2 　天线阵列的仿真模型 2. 2 　天线阵列建模及仿真结果 按照上述天线阵元的理论分析所设计的天线阵元在 谐振频率、驻波、轴比均满足阵列设计要求。对天线阵列 馈电网络的设计采用传统馈电形式 ,在馈电网络中利用两 级二功率分配器进行馈电 ,以保证各阵元的馈电电压的等 幅同相 ,为了达到最佳匹配效果 ,加入λg/ 4 阻抗匹配器对 馈线进行逐段匹配使整个天线阵系统的输入驻波较小 ,天 线效率较高。最终天线阵列的仿真模型如图 2 所示。 通过软件仿真 ,可得最终微带天线阵列的回波损耗(Re2 turn Loss) 、轴比 A x 以及 E面方向图 ,如图 3～图 5 所示。 图 3 　微带天线阵列的回波损耗 图 4 　微带天线阵列的轴比 图 5 　E 面方向图 3 　实测结果及比较 根据前面的设计 ,加工了一幅正交馈电方形微带贴片 天线阵 ,并进行了测试。最终样品在中心频率处 VSWR = 1123 , Gain = 1219 dBi ,2θE3Db = 40°。图 6 为微带天线阵列 实物照片 ,图 7 为天线实验所测的反射损耗 ,图 8 为在微 波暗室所测方向图。可以看出 ,仿真值和实验值比较 吻合。 图 6 　微带天线阵实物照片 　　 图 7 　S11测试结果 图 8 　微波暗室测试 E 面方向图 4 　结 　语 本文应用 Ansoft HFSS 软件仿真设计了一种工作于 2143 GHz 的圆极化方形微带天线阵 ,发现实验结果和仿 真结果较好吻合 ,这说明 Ansoft HFSS 软件具有数学模型 正确、计算精度高的优点 ,是一种比较理想的天线设计工 具 , 这就为微带天线设计提供了一种可以选择的高效途 径 ,极大地简化了天线的分析设计过程。 (下转第 75 页) 　 27 通 信 设 备 魏宏亮等 :运用 Ansof t HFSS 设计圆极化微带天线阵 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 4. 2 　阻抗匹配过程 (1) 在 ADS 中新建一个 Schematic 文件 ,在其中建立 电路 ,如图 8 所示。 图 8 　匹配前电路 (2) 在 ADS的 Smith Chart Utility(如图 9 所示) 中进行 阻抗的匹配 ,即在史密斯圆中将 40149 - j12135 匹配到 50 + j 3 0 ,此时馈线终端没有功率反射 ,馈线上没有驻波。经过匹 配后得到的电容 ,电感值以及串并联方式如图 10 所示。 图 9 　史密斯圆匹配图 　　 图 10 　匹配结果 (3) 根据匹配结果在图 8 中串并连一个电容 ,电感 , 建立电路图如图 11 所示。 图 11 　匹配电路 　　(4) 对匹配电路进行仿真 ,仿真结果如图 12 ,图 13 所示。 图 12 　史密斯圆 　　 图 13 　输入反射系数 在图 12 中 , Z0 在为 50 Ω ,匹配后阻抗为 50 3 (01999 + j51194e - 4) ,由此可见已达到相当良好的阻抗匹配效 果。图 13 中 ,经过匹配后的中心谐振频率为 799 M Hz ,满 足设计要求。 5 　结 　语 HFSS 仿真结果表明天线的辐射特性基本符合设计 要求 ,同时用 ADS 软件对天线的输入阻抗进行匹配电路 设计 ,使其能与 50 Ω馈电系统很好地匹配。 参 　考 　文 　献 [1 ] 马小玲 ,丁丁. 宽频带微带天线技术及其应用 [ M ] . 北京 :人 民邮电出版社 ,2006. [2 ] 钟顺时. 微带天线理论与应用 [ M ] . 西安 :西安电子科技大 学出版社 ,1991. [3 ] 林昌禄 ,陈海. 近代天线设计 [ M ]. 北京 :人民邮电出版 社 ,1987. [4 ] ansoft 公司. hf ss_v9_overvieW_training ( hf ssv9 培训教材) [ Z] . [5 ] Agilent 公司. ADS 全套培训教程 ( EDA 教学网) [ Z] . 作者简介 　宋旭亮 　1980 年出生 ,大连海事大学信息学院在读研究生。 朱义胜 　1945 年出生 ,大连海事大学教授 ,博士生导师。 (上接第 72 页) 参 　考 　文 　献 [1 ] 钟顺时. 微带天线理论与应用 [ M ] . 西安 :西安电子科技大 学出版社 ,1990. [2 ] 张钧 ,刘克诚 ,张贤峄. 微带天线理论与工程[ M ] . 北京 :国防 工业出版社 ,1988. [3 ] Prakash Bhartic , Inder Bahl. Microst rip Antenna Design Handbook. Artech House Inc ,2001. [4 ] User′s Guide - High Frequency Structure Simulator. [5 ] 罗远祉 ,阳建平 ,钟顺时. 圆极化微带天线的理论和实验 [J ] . 通信学报 ,1989 ,10 (4) :20 - 27. [6 ] Huang C Y. Desgigns for Aperture - coupled Compact Cir2 cularly Polarized Microst rip Antenna. IEEE Proc. Microware Antenna Propag. ,1999 ,146 (1) . 作者简介 　魏宏亮 　男 ,1982 年出生 ,湖北人 ,硕士。主要从事天线设计研究。 段文涛 　男 ,1982 年出生 ,河南人 ,硕士。主要从事宽带小型化天线的研究。 李思敏 　男 ,1963 年出生 ,江苏人 ,桂林电子科技大学教授 ,中国电子学会高级会员。主要从事电磁场理论、天线设计 与理论的研究。 57 《现代电子技术》2008 年第 1 期总第 264 期 　þ 通信与信息技术 ü © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net