使用Ansoft HFSS设计圆极化微带天线阵

【摘要】：介绍了一种工作频率为2.43 GHz 的圆极化四单元矩形微带天线阵的设计方法。通过对天线单元采用正交馈电激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波从而使天线单元获得圆极化波。在利用圆极化条件确定天线尺寸基础上，借助Ansoft HFSS仿真软件对天线进行了仿真，仿真结果和实验结果基本一致。

1 引言

微带天线具有结构简单、易于制作、成本低、体积小、重量轻、低剖面等特点，在卫星通信、雷达、生物医学辐射器、射频识别等领域得到了广泛的应用 。本文设计的四 单元微带天线阵是应用在射频识别阅读器中的，由于一般标签天线为线极化，为保证标签天线能够随意地旋转而不影响系统接受能量的效率，往往把阅读器天线设计为圆极化。Ansoft HFSS 是一个用于任意三维无源器件的高性能的全波电磁场仿真器，他采用图形用户界面。最近几年，Ansoft HFSS 发展了许多新的使用者和工业领域。在工业界，Ansoft HFSS 已经成为选择高生产率研究、发展和虚拟原始模型的工具。

本文首先对正交馈电的圆极化天线阵元做了简单的理论分析，并给出了计算贴片尺寸的方法，通过Ansoft HFSS 软件对天线阵元以及天线阵进行仿真，得到与实验结果比较吻合的结果。

2 设计原理

2.1 天线阵元理论分析

微带天线要获得圆极化波的关键是，激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。利用微带天线实现圆极化辐射主要有以下几种方式:
    (1) 正交馈电的单片圆极化微带天线; 
    (2) 一点馈电或多点馈电的单片圆极化微带天线;
    (3) 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线; 
    (4) 微带天线阵构成的圆极化微带天线[2] 。

本文对天线单元的设计采用的是双正交馈电矩形微带天线。双馈电方式是获得圆极化辐射的最直接方法，这种方法是采用两个馈电点来激励两个极化正交的简并模， 并由馈电网络保证两模的振幅相等，相位差为 90°，这样就满足圆极化条件。

图1 所示是采用正交馈电的圆极化微带天线的最简单的实现方法。两支路分别激励TM01和 TM10模，两者的输入电阻分别为Ra 和 Rb，且有 Ra = Rb。各段馈线的特性阻抗以及长度按下列关系设计:

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本文中工作频率f r = 2.43 GHz ,基板的高度h = 1.6 mm ,基板的介电常数εr = 2.55，按上述方法计算的W p = 37.6 mm，以 W p = 37.6 mm 为贴片尺寸在 Ansoft HFSS 进行建模仿真所得的工作频率 f 0 = 2.420 GHz，工作频率处的VSWR = 1.2 ，轴比 Ax = 1.5，通过仿真结果证明了以上计算方法的正确性。

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图1 正交馈电的圆极化微带天线