基于HFSS软件进行数据传输的小型天线系统设计详解

微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的天线。导体薄片的形状可以是方形、矩形、圆形或椭圆形等。由于它要构成一个天线系统，即要有一对收发天线，而且收发天线之间用一根金属棒连接，所以采用的贴片是圆环形贴片。但是在实际应用中，如果要求天线工作在低于2 GHz的频率范围内时，贴片天线的尺寸会显得较大。这里由于项目背景的要求，使得天线的最大尺寸基本确定，而且要求天线系统的最低工作频率可以达到260 MHz左右。为了解决天线小型化问题，采用了加载短路针的方法。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最大半径不能大于5 cm，同时要求在260 MHz左右存在一个工作点。本文选用的介质层材料为Rogers RO3210，它的相对介电常数较高为10．2，选择该材料也是出于减小天线尺寸的考虑。如果按照设计公式来设计贴片的半径，则可知该半径为17．2 cm左右，远远超出了规定的半径上限要求。因此，必须采用额外的手段来减小天线的尺寸，这里采用的方法是加载短路针，即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，具体方法之后将详细介绍，这里先给出天线系统的整体模型，如图1所示。微带贴片的结构基本分为3层：最下层是参考地，中间是介质层，最上面是贴片。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，所以最后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，即一个是输入端，另一个是输出端。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，则最后得到的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；介质层的厚度为1．6 mm，半径为140 mm；贴片的半径直接选择允许的最大尺寸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，最后确定的孔径大小为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，最终在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S***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，重新做一次仿真，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，最后利用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。