基于HFSS的0.93GHz圆极化陶瓷微带天线的仿真研究

陈琳 郭珂 张雨 桂松

【摘要】 本文针对圆极化陶瓷微带天线仿真优化时间长，优化效果不佳的问题，提出仿真过程中增加简并分离系数a与馈电因子系数b的方法。该方法有效提高圆极化陶瓷微带天线的仿真效率，缩短优化时间。本文详细介绍了中心频率为0.93GHz圆极化陶瓷微带天线的仿真过程，并对天线性能进行初步分析。

【关键词】 HFSS 圆极化陶瓷微带天线 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

微带天线是Deschamps于1953年提出，它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面敷以金属薄层作接地板而成；辐射贴片可以根据不同的设计要求设计成各种形状[1]。微带天线由于具有质量轻、体积小，易于制造和易于安装等优点被广泛运用在RFID系统中。RFID （Radio Frequency Identification），射频识别技术，是一种利用空间耦合（交变电磁场）的射频信号实现信号的无线传递，以达到识别目的。最基本的RFID系统由阅读器，天线和标签组成。RFID系统读写器天线为能全面识别多种极化方式天线，一般采用圆极化方式。随着RFID技术的发展， RFID在诸多领域得到应用，对天线也提出更高的要求，其中之一就是减小天线体积。影响微带天线体积的一大因素是微带天线的介质基片，采用介电常数较大的介质基片能减小微带天线体积。基于此，本文介绍一种介质基片为介电常数较大的陶瓷，极化方式为圆极化的微带天线的仿真方法，仿真效率有效提高，达到较为理想的仿真效果。

二、微带天线参数分析

微带天线理论上可以采用传输线模型来分析其性能。微带辐射贴片尺寸可根据微带天线的设计要求，即微带天线的中心频率，介质基片厚度与介质基片类型进行初步估算。由介质基片参数，根据以下公式计算辐射贴片的的初始尺寸[1]假设天线矩形贴片的有效长度Le设为

本文仿真天线参数：中心频率为0.93GHz，介质基片采用厚度为5mm的陶瓷（Al2O3），相对介电常数为9.8，天线的馈电方式为同轴线馈电。根据以上的公式算出天线的大致初始尺寸：宽度W=69.4mm，长度L=50.7mm。

三、圆极化天线的实现

圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等、相位相差90°时，就能得到圆极化波的辐射.单馈点圆极化微带天线无需任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射。单馈点圆极化微带天线一般可用切角，似方形贴片，贴片上刻缝隙，外置微扰枝节与分裂缝隙等方式实现圆极化[2]。本文采用单点馈电似方形贴片实现圆极化，介绍采用该方法实现圆极化的仿真内容。

假设辐射贴片的谐振长度为Lc，微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为Lc+Delta，另一边长度为Lc-Delta。前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y1=G+jB，调整Delta的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45°和+45°，即满足圆极化条件。Kalio和Carver Coffey研究证明，理论上当L/W=1.029，即Delta=0.0143Lc时，TM01和TM10两个模式的相位差为90°。单点馈电似方形贴片微带天线的馈电点位于辐射贴片对角线

上[1]。

四、HFSS天线建模与参数设置

HFSS 是 Ansoft 公司发行的，世界上第一款商业化的三维结构电磁场仿真软件，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。Ansoft HFSS利用FEM（FiniteElement Method）有限元法，自适应网格剖分技术和可视化图像，可为天线设计提供全面的仿真功能，精确仿真计算天线的各种性能参数，包括二维、三维辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S 参数等[3]。由式（1）～（5）计算所得初步天线辐射贴片谐振长度Lc=50.7mm。该谐振长度为一近似值。圆极化的实现不仅与似方形贴片的简并分离单元大小相关，同时也与馈电点的位置相关。因此针对这两个因素设置两个变量。理论上Delta=0.0143Lc，但因谐振长度为近似值，根据Delta=0.0143Lc仿真需要较长时间进行优化，且所得结果不理想，基于此增加简并分离系数a，即Delta=a*Lc。简并分离系数的大小接近理论上的0.0143。因单点馈电似方形贴片微带天线的50Ω馈电点位于辐射贴片对角线上，所以增加馈电因子系数b，即馈电点的位置L1=-b*L0，L2=b*L0。馈电因子系数b的大小在0.11～0.15之间。

在HFSS中新建设计工程，添加和定义相关设计变量如图2所示，再设计建模，建模过程一般步骤为创建介质基片2L0*2W0*H，创建辐射贴片L0*W0，创建参考地2L0*2W0，创建同轴馈线的内芯，馈电中心（-L1，L2），创建信号传输端口面，完成建模过程后，设置边界条件，将辐射贴片Patch和参考地GND设置为理想导体边界，设置辐射边界条件，边界条件设置完毕后，进行端口激励设置，把端口平面Port设置集总端口激励。最后进行求解设置，求解频率设置为0.93GHz，同时添加0.85GHz～1.05GHz的扫频设置。模型建立过程结束，天线模型如图3所示，设计检查后即可进行运行仿真计算。在建立模型中应注意不同结构的介质设置，介质基片中应减去同轴馈线的体积，参考地面应减去圆面Port。不同结构的介质设置将影响天线的工作状态及性能。

五、HFSS目标函数优化及天线性能分析

查看天线的谐振频率，分析同轴馈电点和输入阻抗的关系，再进行优化设计找到最佳阻抗匹配点。本文仿真的优化设计有三个变量，即辐射贴片谐振长度Lc， 简并分离系数a，馈电因子系数b。添加dB（S（1，1）），dB（AxialRatio Value）为目标函数。经过优化后，函数cost为0.148，理论上该值为0，可见优化效果良好。

5.1 S11扫频分析结果

从图中可见，天线在中心频率上0.93GHz的值为-20.2255dB，小于-10dB，S11<-10dB的带宽为 （0.9445-0.9216 ）/0.93=2.46%

5.2 S11的Smith圆图结果

从圆图可以看出，0.93GHz时天线的归一化输入阻抗为（1.0409+0.1955j）Ω，阻抗匹配程度较好，良好的阻抗匹配有利于功率的传输，提高工作效率。

5.3天线轴比随频率的变化关系

此次仿真得到的天线轴比为1.1727，当天线的极化方式为圆极化时，理论轴比应等于1，即长轴与短轴相等。因此仿真时轴比是圆极化天线的重要性能指标。当轴比大于3时，则该天线的极化方式时线极化不是圆极化。此次仿真轴比1.1712接近1，该天线的圆极化效果良好。

5.4三维增益方向图

六、结语

本文基于HFSS对0.93GHz圆极化陶瓷微带天线进行了仿真，天线轴比为1.1727，天线归一化输入阻抗为（1.0409+0.1955j）Ω，在中心频率0.93GHz上的S11值为-20.2258。说明在仿真过程中增加简并分离系数a与馈电因子系数b可实现圆极化天线的仿真，减少仿真计算量，提高仿真效率。

参 考 文 献

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