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?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，它是由導體薄片粘貼在背面有導體接地板的介質(zhì)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(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?shù)奈恢蒙霞虞d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(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?？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(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。