運用Ａｎｓｏｆｔ ＨＦＳＳ設計圓極化微帶天線陣
2008-04-12 00:00:00魏宏亮段文濤李思敏
現代電子技術 2008年1期
摘 要：介紹了一種工作頻率為243 GHz的圓極化四單元矩形微帶天線陣的設計方法。通過對天線單元采用正交饋電激勵起兩個極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波從而使天線單元獲得圓極化波。在利用圓極化條件確定天線尺寸基礎上，借助Ansoft HFSS仿真軟件對天線進行了仿真，仿真結果和實驗結果基本一致。
關鍵詞：圓極化;微帶天線陣;正交饋電;回波損耗
中圖分類號： TN82 文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0107102
Design of Circular Polarization Microstrip Antenna Array Using Ansoft HFSS
WEI Hongliang1，DUAN Wentao1，LI Simin2
(1.School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China;
2.Office of University Presidents， Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)
Abstract：A four element of circular polarization microstrip antenna array is designed，whose operating frequency is 243 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;microstrip antenna array;orthogonal feed;return loss
1 引 言
微帶天線具有結構簡單、易于制作、成本低、體積小、重量輕、低剖面等特點，在衛星通信、雷達、生物醫學輻射器、射頻識別等領域得到了廣泛的應用[1]。本文設計的四單元微帶天線陣是應用在射頻識別閱讀器中的，由于一般標簽天線為線極化，為保證標簽天線能夠隨意地旋轉而不影響系統接受能量的效率，往往把閱讀器天線設計為圓極化。Ansoft HFSS是一個用于任意三維無源器件的高性能的全波電磁場仿真器，他采用類似于Microsoft Windows的圖形用戶界面。最近幾年，Ansoft HFSS發展了許多新的使用者和工業領域。在工業界，Ansoft HFSS已經成為選擇高生產率研究、發展和虛擬原始模型的工具。本文首先對正交饋電的圓極化天線陣元做了簡單的理論分析，并給出了計算貼片尺寸的方法，通過Ansoft HFSS軟件對天線陣元以及天線陣進行仿真，得到了與實驗結果比較吻合的結果。
2 設計原理
2.1 天線陣元理論分析
微帶天線要獲得圓極化波的關鍵是，激勵起兩個極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。利用微帶天線實現圓極化輻射主要有以下幾種方式：
(1) 正交饋電的單片圓極化微帶天線；
(2) 一點饋電或多點饋電的單片圓極化微帶天線；
(3) 由曲線微帶構成的寬頻帶圓極化微帶天線；
(4) 微帶天線陣構成的圓極化微帶天線[2]。
本文對天線單元的設計采用的是雙正交饋電矩形微帶天線。雙饋電方式是獲得圓極化輻射的最直接方法，這種方法是采用兩個饋電點來激勵兩個極化正交的簡并模，并由饋電網絡保證兩模的振幅相等，相位差為90°，這樣就滿足圓極化條件[3]。
圖1所示是采用正交饋電的圓極化微帶天線的最簡單的實現方法。兩支路分別激勵TM01和TM10模，兩者的輸入電阻分別為Ra和Rb，且有Ra=Rb。
各段饋線的特性阻抗以及長度按下列關系設計：
這種圓極化天線的電壓駐波比帶寬比一般矩形貼片的要寬2倍以上，但其圓極化帶寬仍較窄，軸比≤3 dB的圓極化帶寬約34%。方形微帶貼片的大小可按如下方法設計：工作于主模TM01模矩形微帶天線貼片長度L近似為λg/2，λg為介質內波長。λg=λ0/εe，λ0為自由空間波長，εe為有效介電常數，εe可表示成:
2.2 天線陣列建模及仿真結果
按照上述天線陣元的理論分析所設計的天線陣元在諧振頻率、駐波、軸比均滿足陣列設計要求。對天線陣列饋電網絡的設計采用傳統饋電形式，在饋電網絡中利用兩級二功率分配器進行饋電，以保證各陣元的饋電電壓的等幅同相，為了達到最佳匹配效果，加入λg/4阻抗匹配器對饋線進行逐段匹配使整個天線陣系統的輸入駐波較小，天線效率較高。最終天線陣列的仿真模型如圖2所示。
通過軟件仿真，可得最終微帶天線陣列的回波損耗(Return Loss)、軸比Ax以及E面方向圖，如圖3~圖5所示。
3 實測結果及比較
根據前面的設計，加工了一幅正交饋電方形微帶貼片天線陣，并進行了測試。最終樣品在中心頻率處VSWR=123，Gain=129 dBi，2θE3Db=40°。圖6為微帶天線陣列實物照片，圖7為天線實驗所測的反射損耗，圖8為在微波暗室所測方向圖。可以看出，
4 結 語
本文應用Ansoft HFSS軟件仿真設計了一種工作于243 GHz的圓極化方形微帶天線陣，發現實驗結果和仿真結果較好吻合，這說明Ansoft HFSS軟件具有數學模型正確、計算精度高的優點，是一種比較理想的天線設計工具， 這就為微帶天線設計提供了一種可以選擇的高效途徑，極大地簡化了天線的分析設計過程。
參 考 文 獻
［1］鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，1990.
［2］張鈞，劉克誠，張賢嶧.微帶天線理論與工程[M].北京:國防工業出版社，1988.
［3］Prakash Bhartic，Inder Bahl.Microstrip Antenna Design Handbook.Artech House Inc，2001.
［4］User′s Guide-High Frequency Structure Simulator.
［5］羅遠祉，陽建平，鐘順時.圓極化微帶天線的理論和實驗[J].通信學報，1989，10(4):20-27.
［6］Huang C Y.Desgigns for Aperture-coupled Compact Circularly Polarized Microstrip Antenna.IEEE Proc.Microware Antenna Propag.，1999，146 (1).
作者簡介 魏宏亮 男，1982年出生，湖北人，碩士。主要從事天線設計研究。
段文濤 男，1982年出生，河南人，碩士。主要從事寬帶小型化天線的研究。
李思敏 男，1963年出生，江蘇人，桂林電子科技大學教授，中國電子學會高級會員。主要從事電磁場理論、天線設計與理論的研究。
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
