基于ADS的偶极子天线性能参数仿真分析
2018-06-02陈宇蒋军魏东旭孙红兵
陈宇 蒋军 魏东旭 孙红兵
摘要：为了实现对偶极子天线结构性能参数的分析，文章首先设计了一种印刷偶极子天线，对相关的理论进行了研究，依据设计指标对天线的结构、参数进行了计算，随后在Agilent公司的ADS软件上，对所设计的偶极子天线进行了建模，验证了该天线的性能指标符合设计要求。接着通过改变天线的结构尺寸进行性能参数仿真，研究了偶极子天线各项结构参数对天线系统性能的影响，得出了相应结论，仿真结果对偶极子天线设计具有一定的指导意义。
关键词：偶极子；微带；天线；中心频率
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）10-0209-03
1 背景
微带天线与其他基本结构共同构成射频电路，是通讯设备中最为重要的一个组成。通过类比台式电脑、智能手机和U盘等电子设备的发展，电子产品的设计大多数趋于小型化。因此在研究射频电路领域时，对于天线性能的发展方向也应该趋向于小型化。微型天线具有体积小，电气性能完善多样，与有源器件、射频微波电路等结合方便等很多优势，适用于实际应用领域中的大规模制造[1-2]。
2 偶极子天线设计
2.1 天线参数
文章将在分析偶极子天线基本结构的基础上，利用ADS设计一种新型的1.8GHz的偶极子天线，对天线的相关性能进行仿真，对影响偶极子天线性能的相关参数进行仿真设计。文章设计的偶极子天线的相关性能指标如表1所示。
2.2天线结构
偶极子天线大略可以五个部分：微带巴伦线、偶极子天线臂、馈线、地板、通孔[3]。图1显示了设计天线的平面结构示意图。由于结构设计的需要，这几个部分都位于基质板底层的位置。可以看出，底面与顶面的特殊微带线经过通孔紧密连接，最底面地平面和微带巴伦线其中一端相连，另外一端则是与偶极子天线臂相连。
通过对底面层的印刷偶极子天线的分析，等效输入阻抗电路如图2，等效输入阻抗[4-5]为：
3 偶极子天线的仿真结果与分析
通过ADS软件，我们依据相关性能参数，设计偶极子天线结构如图3所示：
每一个天线在设计的过程中，存在着对应的频率范围，将之称为带宽。在研究过程中发现，天线阻抗值最小，相对应的效率最高[6-7]。对上述设计的天线进行必要的基本性能仿真，结果如图4所示：
由仿真图4可知：天线中心频率仿真图的中间最佳点就是中心频率，此时驻波比最小。所以设计天线的中心频率在1.8GHz处，根据参数要求，1.8GHz达到设计要求。
4 偶极子天线结构参数仿真
偶极子天线各个组成部分的几何参数对天线工作性能产生的一系列影响，该文将对偶极子天线的结构尺寸进行相应仿真，分析其对偶极子天线性能的影响。
4.1 天线臂长的影响
改变偶极子天线臂长，得到仿真结果如表2所示。通过分析仿真之后得到的数据，发现影响天线谐振频率的因素之一是天线的臂长：天线的谐振频率会随着天线臂长的不断缩短而逐渐变高。根据相关参数及其理论分析，用公式表示为[Ld=λe4=c4f0εr]，公式中
4.2 天线臂宽的影响
通过改变天线臂宽得到的仿真结果如表3所示。分析表中数据可以得到结论，天线的臂宽几乎不影响天线的谐振频率。在相同的谐振频率条件下，其输入阻抗的绝对值会相对变小，这时将会增大天线的工作带宽。
4.3 巴伦线长度的影响
不同巴伦线长的仿真结果如表4所示。由表中数据分析可知，偶极子天线的巴伦线长度基本上不影响天线的谐振频率，但是巴伦线长在一定程度上影响天线的等效输入阻抗。在谐振频率相同的条件下，如果巴伦线的长度[Lb]偏离四分之一波长，则整个天线的等效输入阻抗、带宽和回波损耗都会发生一定的变化。
4.4 地板長度的影响
多次改变地板长度的值，得到的仿真结果如表5所示。分析表中数据，得到结论偶极子天线的地板长度基本不影响天线的谐振频率，但是地板长度在一定程度上影响天线的等效输入阻抗。在谐振频率相同的前提下，回波损耗随着地板长度的变小而变小，相对应的输入阻抗就会越偏离的纯电阻特征。
5 结束语
根据上述仿真分析，通过改变偶极子天线的各个几何尺寸参数，在ADS软件中进行对比仿真分析，研究了天线臂长、臂宽、巴伦线长度、地板长度、地板宽度等几何因素对天线性能参数的影响。在保证天线基本性能的情况下，要使天线的面积减小，实现天线的进一步微型化，第一种方法是适当的减小偶极子天线臂宽[Wd]，第二种方法是减少地板的宽[Wg]。仿真工作对实际微带天线的设计具有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 李秀萍， 刘禹， 曹海鹰. 基于RFID应用的小型化印刷偶极子天线设计[J]. 北京邮电大学报， 2006， 29（5）： 56-68.
[2] 李峰， 张福顺， 焦永昌. 宽带平面Balum偶极子天线的FDTD分析[J]. 现代电子技术， 2003， 15（7）； 88-90.
[3] Mao X S， Inoue D， M atsubara H. Demonstration of in-car Doppler laser radar at 1.55um for range and speed measurement[J]. IEEE Trans Intelligent Transporation Systems， 2013， 14（2）： 599-607.
[4] Alsath M G M， Lawrance L， Kanagasabai M. Bandwidth-enhanced grid array antenna for UWB automative radar sensor[J]. IEEE Trans Antennas and Propagation， 2015， 63（11）： 5215-5219.
[5] 郭婧， 罗俊忻， 王占平. K 波段高增益低副瓣微带天线阵的设计[J]. 火控雷达技术， 2014， 43（4）： 82-85.
[6] 陈冰洁， 贾国柱， 胡大成. 应用于车载防撞雷达的圆极化微带天线阵列设计[J]. 固体电子学研究与进展， 2016， 36（2）： 136-141.
[7] 赵爽， 陈殿仁. 毫米波圆极化单脉冲阵列天线的研究[J]. 微波学报， 2011， 27（6）： 73-76.
