利用高频商业仿真软件HFSS进行数值仿真研究 - 一种小型化的负介电常数零阶谐振天线设计

　　利用高频商业仿真软件HFSS进行数值仿真研究，得到该天线的最低谐振频点在1.9090GHz，如图3所示。根据文献［5］的研究结果，对于该类负介电常数零阶谐振天线的最低工作频点，即为零阶谐振频率点。可见，本文所设计的负介电常数传输线天线的零阶频率工作点在1.9090GHz，所对应的电尺寸为 0.1028λ0×0.1028λ0×0.00509λ0（其中λ0表示1.9090GHz所对应的空间波长）。由图3，我们还可以观测到当天线匹配最佳时，其增益达到最大值-7.32dBi。进而，我们通过图3中的仿真的数据，提取出图2中等效电路模型的对应电路参量。其中C0=0.024pF， LR=560.68nH， R=1.637 ×107Ω， LLg=49.53nH， Cg=83.37pF， CR=1.42pF， LLv=373.31nH。

　　

　　为了进一步证实以上仿真、等效电路模型的有效性，我们加工了该天线的实物（如图4所示），并对天线的性能进行了相关测试。首先， 利用AV3618网络分析仪对天线的反射系数（S11）进行了测试。图5中的测试结果显示，天线的零阶谐振工作频点在1.9228GHz，并且反射系数也在-10dB以下，显示了天线在该频点的良好匹配。然后，我们利用基于Agilent EB362C PNA网络分析仪和SATIMO测试系统的微波暗室进行方向图测试，其测试结果亦示于图6。测试结果表明：在远场Z-X面上，天线的方向图基本上趋于全向性，基本与仿真结果相符。该具有全向辐射特性的小型化、低剖面天线极其有利于运用在一些短距离控制系统或者家庭安全系统中。值得一提的是，测试结果与仿真结果发生了0.73%的频点飘移和0.31dB的增益降低，其原因主要是由于加工误差和实验测试环境所致。

　　

　　表1 寄生贴片宽度天线性能的影响

　　

　　最后，我们在寄生贴片的宽度（W4）对天线性能影响的方面进行了仿真研究和对比，其结果总结在表1中。当W4增加时，对应的虚拟地电容也相应增加，从而导致天线的零阶谐振频率降低，同时也导致天线的匹配逐渐恶化（该结果也示于图5）。这样的话，我们要实现天线其它频点的工作，还需要调节天线的匹配。从总体上来看，整个天线对应的总体电尺寸也相应地减小，同时也导致天线的Q值增大，对应的峰值增益逐渐降低。可见，我们可以通过调节寄生贴片的宽度，来实现该天线在0.9807GHz-1.9090GHz整个频段范围的某个零阶谐振工作频点的工作。

　　3 总结

　　本文介绍了一种通过加载寄生贴片，使得基于特异材料传输线天线小型化的方法。并通过较为数字仿真和实验验证，证实了该方法的有效性。最终设计出了电尺寸仅为 0.0528λ0×0.0528λ0× 0.00262λ0，增益为-11.58dBi的负介电常数零阶谐振天线。该工作为以后工程上设计不同尺寸要求、性能指标要求的基于特异材料传输线的小型化天线提供了一定的参考。