基于数据传输小型天线系统探讨

　　微带天线具有剖面薄、易共形和低制造成本等特点，被广泛用于卫星通信、雷达、遥感遥测以及生物医学系统等许多领域。随着更高频率的使用，对射频器件、电路和辐射单元集成的要求也越来越高，以便提供重量轻、尺寸小和性能的无线通信系统。通常集成电路被作在高介电常数基底材料上，而天线则应作在低介电常数基片上。一般的解决办法是电路集成在基片的高介电常数区域，平面天线集成在低介电常数区域的混合集成。然而随着使用频率的提高，混合集成越来越困难，开发成本越来越高。特别是对单片通信系统的急迫要求，要求辐射元件能与电路集成在一起。研究高介电常数基片上的微带贴片天线成为人们关注的问题。本文先通过Ansoft的HFSS软件进行建模，完成一个完整的天线系统模型，并仿真得出其S参数，然后将其导成S2P文件，再采用Agilent的ADS软件加入实际的脉冲信号源验证设计结果。

　　1 天线系统的建模

　　首先给出圆形贴片天线的设计公式，当天线的工作频率较低时(通常低于2 GHz)，圆形微带贴片的半径为：

　　式中：εr为介质层的相对介电常数；fr为工作的中心频率；c为光速。当工作频率较高时(大于2 GHz时)，贴片的半径还和介质层的厚度有关，其计算公式为：

　　式中：h是介质层的厚度。从公式中不难发现，对于微带贴片天线基本都存在类似的关系式：即贴片的尺寸和工作频率成反比。在这个设计中，基于的项目背景是要求贴片的半径不能大于5 cm，同时要求在260 MHz左右存在一个工作点。未了尽量减小天线的体积，尺寸等，本文选用的介质层材料为介电常数比较高的Rogers RO3210，可以达到10．2，相对于空气来说。若是仅仅按照公式来计算个尺寸，那么半径可以达到17.2cm，超过了规定的半径。因此，必须减小天线的尺寸，可以在适当的位置上加载一个适当孔径的圆柱形导体，将贴片与参考地之间连接起来，也叫做短路针。稍后会有详细介绍，模型如图1所示。微带贴片的结构基本分为3层：上层是贴片，中间是介质层，下层是参考地。考虑到天线的互易特性，建模时接收天线和发射天线没有本质的区别。接下来的问题就是如何正确设置发射天线和接收天线。由于设计的是天线系统，所以想要得到的是整个系统的传输特性，即S21参数。但以往用HFSS设计天线的时候，基本只考虑S11参数，因为设计的天线只作为一个一端口元件使用，这里直接将两个天线作为一个系统来看，因此必须定义两个端口才能得到S21参数，一个输出端一个输入端。设计的天线采用底部馈电方式，它在激励端口的设置中被定义为lumpedport(集总端口激励)。为了能让仿真软件清楚地辨别两个天线一个是作为发射的，另一个是作为接收的，所

　　以要将其中一个激励信号源的大小调整为0 V，这样这个天线就可作为接收天线来使用。如果不做这一步，则得到的S参数是2个天线共同叠加的效果。

　　图1中，金属棒的半径为8 mm；厚度为1．6 mm，半径为140 mm；贴片的半径直接选择允许的尺寸50 mm；馈线的孔径为O．5 mm；接收天线与发射天线间的间距为5 mm。这里使用两个短路针加载在馈点附近，尽量靠近中心原点，确定的孔径大小为1 mm，高度为1．6 mm。

　　2 天线系统的仿真结果

　　采用HFSS对系统进行仿真，经过多次对于短路针位置以及尺寸的尝试，终在263 MHz左右出现了比较满意的结果，微带天线的S11达到了-17 dB，如图2所示。

　　图3是整个天线系统的传输特性曲线，即S21参数。发射天线的辐射方向图如图4所示。

　　3 结果分析

　　设计过程中发现，短路针的位置和尺寸对于结果影响很大。研究结果表明，加载短路针可以有效减低天线的工作频率。本文尝试了很多次后，大致总结的规律如下：如果固定短路针的位置，则短路针的尺寸(这里主要是孔径的大小)越小，频率下降得越多；如果固定短路针的孔径大小，则短路针越是靠近馈点或是中心时，频率下降得越多；相反越是远离中心，频率下降的幅度也越小。由辐射方向图可以发现，微带天线的中间被一个导体金属棒打穿，因此该位置的辐射能量为0，原来辐射能量强的地方由于受到金属棒的影响，被“挤”向两端，成为两个椭球的形状，提高了方向性。由S21传输参数图可以发现，频率在265 MHz左右时，衰减大约是-9.5dB(插入损耗)，在该频率范围内可以进行能量的传输。

　　4 导入ADS验证仿真结果

　　在HFSS中完成仿真结果后，可以将其S参数矩阵导成SNP文件的格式，SNP格式是几个常用微波射频仿真软件通用的格式文件。其中，N是端口号。对于设计的天线系统来说，是一个二端口元件，所以导出的是S2P文件。然后在ADS中使用一个二端口的symbol来装载其S2P文件就可以具有该特性，并用一个脉冲信号源进行验证。这里选用信号源的频率是263 MHz，定义好了上升沿时间和下降沿时间，占空比设置为1／2，使用瞬态仿真器查看信号时域的非线性特性曲线，其曲线图如图5所示。

 

　　从图中可以发现，1 V的输入信号，输出变为0．7 V左右，信号经历了一个从暂态到稳态的过程。在输出端波形上有一定的失真，能量基本被传输，而且时延也很小，不会影响判决门限。但是输入的方波信号通过这个系统后变成了类似三角波的信号，所以后续信号的处理中要加上一个整形电路。接着本文又改变了信号源的频率，此时不在天线的工作频率范围内，重新做仿真，仿真结果与预期的一样，输出信号只有0．13 V，能量通过这个系统时大部分都被衰减了，该频率点上无法进行信号的传输，如图6所示。

　　5 结语

　　本文设计了一个天线系统，通过对于端口激励的正确设置得到系统的传输参数。从宏观上总结出了短路针的位置及大小对于天线频率的影响，利用ADS协同仿真来验证设计天线系统的实际传输特性。可以发现，对于这种结构的天线，工作带宽不是很宽，这里设计的天线系统带宽在10～15 MHz左右，但S21和S11达到了令人满意的结果，可以在期望频率处得到预期的能量传输。

  

参考文献:

[1]. S11 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S11_1617658.html.