基于HFSS的0.93GHz圓極化陶瓷微帶天線的仿真研究

陳琳 郭珂 張雨 桂松

【摘要】 本文針對圓極化陶瓷微帶天線仿真優化時間長，優化效果不佳的問題，提出仿真過程中增加簡并分離系數a與饋電因子系數b的方法。該方法有效提高圓極化陶瓷微帶天線的仿真效率，縮短優化時間。本文詳細介紹了中心頻率為0.93GHz圓極化陶瓷微帶天線的仿真過程，并對天線性能進行初步分析。

【關鍵詞】 HFSS 圓極化陶瓷微帶天線 仿真

An HFSS simulation research of 0.93 GHz circular polarization ceramics micro strip antenna

Abstract： Aiming to solve the problem of circular polarization micro strip antenna simulation which takes a long time of simulation and unable to deliver the good results， this paper puts forward a novel method that adds separation factor ‘a and feeding factor‘b during the process simulation. This technique effectively improves the simulation efficiency of circularly polarized micro strip antenna ceramics and shortens the optimization time. This article introduces the center frequency of 0.93 GHz circular micro strip antenna ceramic simulation process， and a preliminary analysis on the antenna performance.

Key words： HFSS， Circular polarized ceramics microstrip antenna， simulation

一、引言

微帶天線是Deschamps于1953年提出，它是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基片的一面敷以金屬輻射片、一面敷以金屬薄層作接地板而成；輻射貼片可以根據不同的設計要求設計成各種形狀[1]。微帶天線由于具有質量輕、體積小，易于制造和易于安裝等優點被廣泛運用在RFID系統中。RFID （Radio Frequency Identification），射頻識別技術，是一種利用空間耦合（交變電磁場）的射頻信號實現信號的無線傳遞，以達到識別目的。最基本的RFID系統由閱讀器，天線和標簽組成。RFID系統讀寫器天線為能全面識別多種極化方式天線，一般采用圓極化方式。隨著RFID技術的發展， RFID在諸多領域得到應用，對天線也提出更高的要求，其中之一就是減小天線體積。影響微帶天線體積的一大因素是微帶天線的介質基片，采用介電常數較大的介質基片能減小微帶天線體積。基于此，本文介紹一種介質基片為介電常數較大的陶瓷，極化方式為圓極化的微帶天線的仿真方法，仿真效率有效提高，達到較為理想的仿真效果。

二、微帶天線參數分析

微帶天線理論上可以采用傳輸線模型來分析其性能。微帶輻射貼片尺寸可根據微帶天線的設計要求，即微帶天線的中心頻率，介質基片厚度與介質基片類型進行初步估算。由介質基片參數，根據以下公式計算輻射貼片的的初始尺寸[1]假設天線矩形貼片的有效長度Le設為

本文仿真天線參數：中心頻率為0.93GHz，介質基片采用厚度為5mm的陶瓷（Al2O3），相對介電常數為9.8，天線的饋電方式為同軸線饋電。根據以上的公式算出天線的大致初始尺寸：寬度W=69.4mm，長度L=50.7mm。

三、圓極化天線的實現

圓極化的關鍵是激勵起兩個極化方式正交的線極化波，當這兩個模式的線極化波幅度相等、相位相差90°時，就能得到圓極化波的輻射.單饋點圓極化微帶天線無需任何外加的相移網絡和功率分配器就能實現圓極化輻射。單饋點圓極化微帶天線一般可用切角，似方形貼片，貼片上刻縫隙，外置微擾枝節與分裂縫隙等方式實現圓極化[2]。本文采用單點饋電似方形貼片實現圓極化，介紹采用該方法實現圓極化的仿真內容。

假設輻射貼片的諧振長度為Lc，微調諧振長度略偏離諧振，即一邊長度為Lc+Delta，另一邊長度為Lc-Delta。前者對應一個容抗Y1=G-jB，后者對應一個感抗Y1=G+jB，調整Delta的值，使得每一組的電抗分量等于阻抗的實數部分，即B=G，則兩阻抗大小相等，相位分別為-45°和+45°，即滿足圓極化條件。Kalio和Carver Coffey研究證明，理論上當L/W=1.029，即Delta=0.0143Lc時，TM01和TM10兩個模式的相位差為90°。單點饋電似方形貼片微帶天線的饋電點位于輻射貼片對角線

上[1]。

四、HFSS天線建模與參數設置

HFSS 是 Ansoft 公司發行的，世界上第一款商業化的三維結構電磁場仿真軟件，是業界公認的三維電磁場設計和分析的工業標準。Ansoft HFSS利用FEM（FiniteElement Method）有限元法，自適應網格剖分技術和可視化圖像，可為天線設計提供全面的仿真功能，精確仿真計算天線的各種性能參數，包括二維、三維輻射方向圖、天線增益、軸比、半功率波瓣寬度、內部電磁場分布、天線阻抗、電壓駐波比、S 參數等[3]。由式（1）～（5）計算所得初步天線輻射貼片諧振長度Lc=50.7mm。該諧振長度為一近似值。圓極化的實現不僅與似方形貼片的簡并分離單元大小相關，同時也與饋電點的位置相關。因此針對這兩個因素設置兩個變量。理論上Delta=0.0143Lc，但因諧振長度為近似值，根據Delta=0.0143Lc仿真需要較長時間進行優化，且所得結果不理想，基于此增加簡并分離系數a，即Delta=a*Lc。簡并分離系數的大小接近理論上的0.0143。因單點饋電似方形貼片微帶天線的50Ω饋電點位于輻射貼片對角線上，所以增加饋電因子系數b，即饋電點的位置L1=-b*L0，L2=b*L0。饋電因子系數b的大小在0.11～0.15之間。

在HFSS中新建設計工程，添加和定義相關設計變量如圖2所示，再設計建模，建模過程一般步驟為創建介質基片2L0*2W0*H，創建輻射貼片L0*W0，創建參考地2L0*2W0，創建同軸饋線的內芯，饋電中心（-L1，L2），創建信號傳輸端口面，完成建模過程后，設置邊界條件，將輻射貼片Patch和參考地GND設置為理想導體邊界，設置輻射邊界條件，邊界條件設置完畢后，進行端口激勵設置，把端口平面Port設置集總端口激勵。最后進行求解設置，求解頻率設置為0.93GHz，同時添加0.85GHz～1.05GHz的掃頻設置。模型建立過程結束，天線模型如圖3所示，設計檢查后即可進行運行仿真計算。在建立模型中應注意不同結構的介質設置，介質基片中應減去同軸饋線的體積，參考地面應減去圓面Port。不同結構的介質設置將影響天線的工作狀態及性能。

五、HFSS目標函數優化及天線性能分析

查看天線的諧振頻率，分析同軸饋電點和輸入阻抗的關系，再進行優化設計找到最佳阻抗匹配點。本文仿真的優化設計有三個變量，即輻射貼片諧振長度Lc， 簡并分離系數a，饋電因子系數b。添加dB（S（1，1）），dB（AxialRatio Value）為目標函數。經過優化后，函數cost為0.148，理論上該值為0，可見優化效果良好。

5.1 S11掃頻分析結果

從圖中可見，天線在中心頻率上0.93GHz的值為-20.2255dB，小于-10dB，S11<-10dB的帶寬為 （0.9445-0.9216 ）/0.93=2.46%

5.2 S11的Smith圓圖結果

從圓圖可以看出，0.93GHz時天線的歸一化輸入阻抗為（1.0409+0.1955j）Ω，阻抗匹配程度較好，良好的阻抗匹配有利于功率的傳輸，提高工作效率。

5.3天線軸比隨頻率的變化關系

此次仿真得到的天線軸比為1.1727，當天線的極化方式為圓極化時，理論軸比應等于1，即長軸與短軸相等。因此仿真時軸比是圓極化天線的重要性能指標。當軸比大于3時，則該天線的極化方式時線極化不是圓極化。此次仿真軸比1.1712接近1，該天線的圓極化效果良好。

5.4三維增益方向圖

六、結語

本文基于HFSS對0.93GHz圓極化陶瓷微帶天線進行了仿真，天線軸比為1.1727，天線歸一化輸入阻抗為（1.0409+0.1955j）Ω，在中心頻率0.93GHz上的S11值為-20.2258。說明在仿真過程中增加簡并分離系數a與饋電因子系數b可實現圓極化天線的仿真，減少仿真計算量，提高仿真效率。

參 考 文 獻

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