基于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男⌒吞炀€系統(tǒng)研究

摘要：針對一個圓環(huán)形微帶貼片天線構(gòu)成的天線系統(tǒng)，出于天線尺寸小型化的要求，通過適當(dāng)?shù)丶尤攵搪丰樋梢允沟迷撎炀€在較低的頻率點處出現(xiàn)諧振峰。仿真結(jié)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(shè)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(shù)后將其導(dǎo)成S2P格式文件，并總結(jié)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(yīng)用ADS軟件加入脈沖信號源驗證天線系統(tǒng)的傳輸特性。
關(guān)鍵詞：圓環(huán)形微帶貼片天線；短路針；S參數(shù)；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(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)板上形成的天線。導(dǎo)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(gòu)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(yīng)用中，如果要求天線工作在低于2 GHz的頻率范圍內(nèi)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(shù)，然后將其導(dǎo)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(shè)計結(jié)果。

1 天線系統(tǒng)的建模
    首先給出圓形貼片天線的設(shè)計公式，當(dāng)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(zhì)層的相對介電常數(shù)；fr為工作的中心頻率；c為光速。當(dāng)工作頻率較高時(大于2 GHz時)，貼片的半徑還和介質(zhì)層的厚度有關(guān)，其計算公式為：
    
    式中：h是介質(zhì)層的厚度。從公式中不難發(fā)現(xiàn)，對于微帶貼片天線基本都存在類似的關(guān)系式：即貼片的尺寸和工作頻率成反比。在這個設(shè)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(zhì)層材料為Rogers RO3210，它的相對介電常數(shù)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(shè)計公式來設(shè)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(dāng)?shù)奈恢蒙霞虞d一個適當(dāng)孔徑的圓柱形導(dǎo)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(jié)構(gòu)基本分為3層：最下層是參考地，中間是介質(zhì)層，最上面是貼片。考慮到天線的互易特性，建模時接收天線和發(fā)射天線沒有本質(zhì)的區(qū)別。接下來的問題就是如何正確設(shè)置發(fā)射天線和接收天線。由于設(shè)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(shù)。但以往用HFSS設(shè)計天線的時候，基本只考慮S11參數(shù)，因為設(shè)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(shù)，即一個是輸入端，另一個是輸出端。設(shè)計的天線采用底部饋電方式，它在激勵端口的設(shè)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(diào)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(shù)是2個天線共同疊加的效果。

華東師范大學(xué)
    圖1中，金屬棒的半徑為8 mm；介質(zhì)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(jié)果
    采用HFSS對系統(tǒng)進行仿真，經(jīng)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(xiàn)了比較滿意的結(jié)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(shù)。發(fā)射天線的輻射方向圖如圖4所示。

3 結(jié)果分析
    設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，短路針的位置和尺寸對于結(jié)果影響很大。研究結(jié)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(jié)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(xiàn)，微帶天線的中間被一個導(dǎo)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(shù)圖可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)可以進行能量的傳輸。

4 導(dǎo)入ADS驗證仿真結(jié)果
    在HFSS中完成仿真結(jié)果后，可以將其S參數(shù)矩陣導(dǎo)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(shè)計的天線系統(tǒng)來說，是一個二端口元件，所以導(dǎo)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(shè)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(xiàn)，1 V的輸入信號，輸出變?yōu)?．7 V左右，信號經(jīng)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(nèi)，重新做一次仿真，仿真結(jié)果與預(yù)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(jié)語
    本文設(shè)計了一個天線系統(tǒng)，通過對于端口激勵的正確設(shè)置得到系統(tǒng)的傳輸參數(shù)。從宏觀上總結(jié)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(shè)計天線系統(tǒng)的實際傳輸特性。可以發(fā)現(xiàn)，對于這種結(jié)構(gòu)的天線，工作帶寬不是很寬，這里設(shè)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(jié)果，可以在期望頻率處得到預(yù)期的能量傳輸。