使用Ansoft HFSS設計圓極化微帶天線陣

【摘要】：介紹了一種工作頻率為2.43 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。

    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 。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。

    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:

    本文中工作頻率f r = 2.43 GHz ,基板的高度h = 1.6 mm ,基板的介電常數εr = 2.55，按上述方法計算的W p = 37.6 mm，以 W p = 37.6 mm 為貼片尺寸在 Ansoft HFSS 進行建模仿真所得的工作頻率 f 0 = 2.420 GHz，工作頻率處的VSWR = 1.2 ，軸比 Ax = 1.5，通過仿真結果證明了以上計算方法的正確性。

圖1 正交饋電的圓極化微帶天線

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