基于ADS的偶極子天線性能參數仿真分析

陳宇　蔣軍　魏東旭　孫紅兵

摘要：為了實現對偶極子天線結構性能參數的分析，文章首先設計了一種印刷偶極子天線，對相關的理論進行了研究，依據設計指標對天線的結構、參數進行了計算，隨后在Agilent公司的ADS軟件上，對所設計的偶極子天線進行了建模，驗證了該天線的性能指標符合設計要求。接著通過改變天線的結構尺寸進行性能參數仿真，研究了偶極子天線各項結構參數對天線系統性能的影響，得出了相應結論，仿真結果對偶極子天線設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：偶極子；微帶；天線；中心頻率

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0209-03

1 背景

微帶天線與其他基本結構共同構成射頻電路，是通訊設備中最為重要的一個組成。通過類比臺式電腦、智能手機和U盤等電子設備的發展，電子產品的設計大多數趨于小型化。因此在研究射頻電路領域時，對于天線性能的發展方向也應該趨向于小型化。微型天線具有體積小，電氣性能完善多樣，與有源器件、射頻微波電路等結合方便等很多優勢，適用于實際應用領域中的大規模制造[1-2]。

2 偶極子天線設計

2.1 天線參數

文章將在分析偶極子天線基本結構的基礎上，利用ADS設計一種新型的1.8GHz的偶極子天線，對天線的相關性能進行仿真，對影響偶極子天線性能的相關參數進行仿真設計。文章設計的偶極子天線的相關性能指標如表1所示。

2.2天線結構

偶極子天線大略可以五個部分：微帶巴倫線、偶極子天線臂、饋線、地板、通孔[3]。圖1顯示了設計天線的平面結構示意圖。由于結構設計的需要，這幾個部分都位于基質板底層的位置?？梢钥闯?，底面與頂面的特殊微帶線經過通孔緊密連接，最底面地平面和微帶巴倫線其中一端相連，另外一端則是與偶極子天線臂相連。

通過對底面層的印刷偶極子天線的分析，等效輸入阻抗電路如圖2，等效輸入阻抗[4-5]為：

3 偶極子天線的仿真結果與分析

通過ADS軟件，我們依據相關性能參數，設計偶極子天線結構如圖3所示：

每一個天線在設計的過程中，存在著對應的頻率范圍，將之稱為帶寬。在研究過程中發現，天線阻抗值最小，相對應的效率最高[6-7]。對上述設計的天線進行必要的基本性能仿真，結果如圖4所示：

由仿真圖4可知：天線中心頻率仿真圖的中間最佳點就是中心頻率，此時駐波比最小。所以設計天線的中心頻率在1.8GHz處，根據參數要求，1.8GHz達到設計要求。

4 偶極子天線結構參數仿真

偶極子天線各個組成部分的幾何參數對天線工作性能產生的一系列影響，該文將對偶極子天線的結構尺寸進行相應仿真，分析其對偶極子天線性能的影響。

4.1 天線臂長的影響

改變偶極子天線臂長，得到仿真結果如表2所示。通過分析仿真之后得到的數據，發現影響天線諧振頻率的因素之一是天線的臂長：天線的諧振頻率會隨著天線臂長的不斷縮短而逐漸變高。根據相關參數及其理論分析，用公式表示為[Ld=λe4=c4f0εr]，公式中表示天線中有效介電常數。天線臂長除了對諧振頻率產生影響，對回波損耗影響也是很大的，偶極子天線的輸入阻抗隨著臂長的縮短逐漸變小。同時由仿真相應參數可以得到，天線的等效阻抗越接近純電阻，阻抗對應的匹配特征越好，相對應的回波損耗也會隨著越小。

4.2 天線臂寬的影響

通過改變天線臂寬得到的仿真結果如表3所示。分析表中數據可以得到結論，天線的臂寬幾乎不影響天線的諧振頻率。在相同的諧振頻率條件下，其輸入阻抗的絕對值會相對變小，這時將會增大天線的工作帶寬。

4.3 巴倫線長度的影響

不同巴倫線長的仿真結果如表4所示。由表中數據分析可知，偶極子天線的巴倫線長度基本上不影響天線的諧振頻率，但是巴倫線長在一定程度上影響天線的等效輸入阻抗。在諧振頻率相同的條件下，如果巴倫線的長度[Lb]偏離四分之一波長，則整個天線的等效輸入阻抗、帶寬和回波損耗都會發生一定的變化。

4.4 地板長度的影響

多次改變地板長度的值，得到的仿真結果如表5所示。分析表中數據，得到結論偶極子天線的地板長度基本不影響天線的諧振頻率，但是地板長度在一定程度上影響天線的等效輸入阻抗。在諧振頻率相同的前提下，回波損耗隨著地板長度的變小而變小，相對應的輸入阻抗就會越偏離的純電阻特征。

5 結束語

根據上述仿真分析，通過改變偶極子天線的各個幾何尺寸參數，在ADS軟件中進行對比仿真分析，研究了天線臂長、臂寬、巴倫線長度、地板長度、地板寬度等幾何因素對天線性能參數的影響。在保證天線基本性能的情況下，要使天線的面積減小，實現天線的進一步微型化，第一種方法是適當的減小偶極子天線臂寬[Wd]，第二種方法是減少地板的寬[Wg]。仿真工作對實際微帶天線的設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

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