基于ADS的偶極子天線性能參數(shù)仿真分析

陳宇　蔣軍　魏東旭　孫紅兵

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對偶極子天線結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的分析，文章首先設(shè)計了一種印刷偶極子天線，對相關(guān)的理論進(jìn)行了研究，依據(jù)設(shè)計指標(biāo)對天線的結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行了計算，隨后在Agilent公司的ADS軟件上，對所設(shè)計的偶極子天線進(jìn)行了建模，驗證了該天線的性能指標(biāo)符合設(shè)計要求。接著通過改變天線的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行性能參數(shù)仿真，研究了偶極子天線各項結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線系統(tǒng)性能的影響，得出了相應(yīng)結(jié)論，仿真結(jié)果對偶極子天線設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：偶極子；微帶；天線；中心頻率

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0209-03

1 背景

微帶天線與其他基本結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成射頻電路，是通訊設(shè)備中最為重要的一個組成。通過類比臺式電腦、智能手機(jī)和U盤等電子設(shè)備的發(fā)展，電子產(chǎn)品的設(shè)計大多數(shù)趨于小型化。因此在研究射頻電路領(lǐng)域時，對于天線性能的發(fā)展方向也應(yīng)該趨向于小型化。微型天線具有體積小，電氣性能完善多樣，與有源器件、射頻微波電路等結(jié)合方便等很多優(yōu)勢，適用于實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中的大規(guī)模制造[1-2]。

2 偶極子天線設(shè)計

2.1 天線參數(shù)

文章將在分析偶極子天線基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用ADS設(shè)計一種新型的1.8GHz的偶極子天線，對天線的相關(guān)性能進(jìn)行仿真，對影響偶極子天線性能的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計。文章設(shè)計的偶極子天線的相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。

2.2天線結(jié)構(gòu)

偶極子天線大略可以五個部分：微帶巴倫線、偶極子天線臂、饋線、地板、通孔[3]。圖1顯示了設(shè)計天線的平面結(jié)構(gòu)示意圖。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，這幾個部分都位于基質(zhì)板底層的位置?？梢钥闯觯酌媾c頂面的特殊微帶線經(jīng)過通孔緊密連接，最底面地平面和微帶巴倫線其中一端相連，另外一端則是與偶極子天線臂相連。

通過對底面層的印刷偶極子天線的分析，等效輸入阻抗電路如圖2，等效輸入阻抗[4-5]為：

3 偶極子天線的仿真結(jié)果與分析

通過ADS軟件，我們依據(jù)相關(guān)性能參數(shù)，設(shè)計偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖3所示：

每一個天線在設(shè)計的過程中，存在著對應(yīng)的頻率范圍，將之稱為帶寬。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，天線阻抗值最小，相對應(yīng)的效率最高[6-7]。對上述設(shè)計的天線進(jìn)行必要的基本性能仿真，結(jié)果如圖4所示：

由仿真圖4可知：天線中心頻率仿真圖的中間最佳點(diǎn)就是中心頻率，此時駐波比最小。所以設(shè)計天線的中心頻率在1.8GHz處，根據(jù)參數(shù)要求，1.8GHz達(dá)到設(shè)計要求。

4 偶極子天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真

偶極子天線各個組成部分的幾何參數(shù)對天線工作性能產(chǎn)生的一系列影響，該文將對偶極子天線的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行相應(yīng)仿真，分析其對偶極子天線性能的影響。

4.1 天線臂長的影響

改變偶極子天線臂長，得到仿真結(jié)果如表2所示。通過分析仿真之后得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)影響天線諧振頻率的因素之一是天線的臂長：天線的諧振頻率會隨著天線臂長的不斷縮短而逐漸變高。根據(jù)相關(guān)參數(shù)及其理論分析，用公式表示為[Ld=λe4=c4f0εr]，公式中表示天線中有效介電常數(shù)。天線臂長除了對諧振頻率產(chǎn)生影響，對回波損耗影響也是很大的，偶極子天線的輸入阻抗隨著臂長的縮短逐漸變小。同時由仿真相應(yīng)參數(shù)可以得到，天線的等效阻抗越接近純電阻，阻抗對應(yīng)的匹配特征越好，相對應(yīng)的回波損耗也會隨著越小。

4.2 天線臂寬的影響

通過改變天線臂寬得到的仿真結(jié)果如表3所示。分析表中數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論，天線的臂寬幾乎不影響天線的諧振頻率。在相同的諧振頻率條件下，其輸入阻抗的絕對值會相對變小，這時將會增大天線的工作帶寬。

4.3 巴倫線長度的影響

不同巴倫線長的仿真結(jié)果如表4所示。由表中數(shù)據(jù)分析可知，偶極子天線的巴倫線長度基本上不影響天線的諧振頻率，但是巴倫線長在一定程度上影響天線的等效輸入阻抗。在諧振頻率相同的條件下，如果巴倫線的長度[Lb]偏離四分之一波長，則整個天線的等效輸入阻抗、帶寬和回波損耗都會發(fā)生一定的變化。

4.4 地板長度的影響

多次改變地板長度的值，得到的仿真結(jié)果如表5所示。分析表中數(shù)據(jù)，得到結(jié)論偶極子天線的地板長度基本不影響天線的諧振頻率，但是地板長度在一定程度上影響天線的等效輸入阻抗。在諧振頻率相同的前提下，回波損耗隨著地板長度的變小而變小，相對應(yīng)的輸入阻抗就會越偏離的純電阻特征。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述仿真分析，通過改變偶極子天線的各個幾何尺寸參數(shù)，在ADS軟件中進(jìn)行對比仿真分析，研究了天線臂長、臂寬、巴倫線長度、地板長度、地板寬度等幾何因素對天線性能參數(shù)的影響。在保證天線基本性能的情況下，要使天線的面積減小，實(shí)現(xiàn)天線的進(jìn)一步微型化，第一種方法是適當(dāng)?shù)臏p小偶極子天線臂寬[Wd]，第二種方法是減少地板的寬[Wg]。仿真工作對實(shí)際微帶天線的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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