射频毫米波芯片设计9：详解圆极化微带天线仿真设计

《射频微波芯片设计》专栏适用于具备一定微波基础知识的高校学生、在职射频工程师、高校研究所研究人员，通过本系列文章掌握射频到毫米波的芯片设计流程，设计方法，设计要点以及最新的射频/毫米波前端芯片工程实现技术。

本文共计四部分

（全文阅读大概需5分钟，希望对您都开卷有益）

1.前    言——讨论为啥要了解天线

2.基本概念——讨论常见的天线概念

3.自动化设计——介绍主流软件中的自动化设计工具

4.片上天线概述——介绍片上天线的机遇，挑战，常见形式

前言

本期内容是对上期《浅析自动化设计天线和片上天线概述》的一个补充，旨在给天线小白们展示一下较为真实的设计天线的具体过程（实际工程还得考虑天线周围的真实环境，生产公差以及成本等等，后续有时间可以接着写，这期主要是带大家入门）。通过本篇博文，读者朋友们能够设计出基本的圆极化微带天线，明白如何具体地从数学公式演变到天线物理尺寸，同时掌握基于HFSS的天线设计流程（片上天线，AoC，设计与本文中提及的微带天线设计流程大同小异，主要区别点就在于建立准确的衬底模型和选择适合片上工作的天线结构）。

其实早在十多年前，李明洋老师就在他的《HFSS天线设计》一书中提到了一个1.57GHz的GPS微带圆极化天线，如下图所示，该天线结构简单，主要通过宽长比的调节来实现对辐射边的相位差的控制，进而实现等幅、相差90度辐射，也就是实现圆极化，但是该方法调试相对困难，天线带宽较小。本文在此基础上引入切角的方案，通过一款2.45GHz的微带切角圆极化天线，给大家演示具体的设计过程。

图片来源：《HFSS天线设计》

微带切角圆极化天线设计原理

本文设计的天线的中心频率为f_1，的圆极化天线，故而可以采用如下设计思路：

1、按照普通微带贴片的设计方法计算贴片的尺寸，随后利用软件仿真，使得其工作频率在f₁处。

2、调节同轴馈电点的位置Xf，使其达到最佳匹配。

3、按照切角形成圆极化的原理，初步设定切角的尺寸大小。

4、设定优化目标，调节馈电点的位置以及切角大小优化，使其达到目标。

一.天线原型设计

采用的介质基板Arlon DiClad 527 (tm)，它的介电常数e_r=2.5，介电损耗为0.0018，介质基板的高度h=1.6 mm。天线的平面结构图如下图所示。

其三维立体图如下图所示。

二、微带辐射贴片尺寸的估算

，天线采用同轴线馈电。

对于辐射贴片的宽度W，可由以下公式估算：

有效介电常数e₀

等效辐射缝隙长度DL

辐射单元长度L一般取l_g/2，这里的l_g为介质内的导波波长，即：

考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射单元长度L应为：

对于同轴线馈电的微带天线，在确定贴片的长度L与宽度W之后，还需要确定同轴线馈电点的位置，馈电点的位置会影响天线的输入阻抗。在主模TM₁₀工作模式下，在宽带W方向上的电场强度不变，因此馈电点在宽度W方向的位移对输入阻抗的影响很小，但是在宽度方向上偏离中心位置时，会激发TM_1n模式，增加天线的交叉极化辐射，因此宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点（Y_f=0）。馈电点在矩形贴片长度L方向边缘处（x=＋/-L/2）的输入阻抗最高。因此可以计算出输入阻抗为50欧姆的馈电点的位置：

其中：

对于本文设计的圆极化天线，按照切角的方式形成扰动，使得天线在圆极化的条件下工作。因此我们选取W=L，按照以上公式，我们初步计算得出W=L=35mm，同时根据计算取馈电点偏移中心点的频率X_f=6 mm。

微带贴片天线圆极化切角计算（具体详见“聂在平. 天线工程手册[M]. 电子科技大学出版社, 2014.”）

当给定工作波长，可以通过选择适当的天线尺寸和基片的相对介电常数来获得宽角圆极化良好的轴比。

切角计算公式如下：

其中 为天线的总品质因子， 可通过如下公式计算

分别对应于辐射、介质、导体损耗、表面波的品质因子值。

其中，a、b为天线的长和宽，是贴片金属的电导率； 是介质损正切； 为真空中的磁导率。

矩形微带天线通常工作于TM01模(或TM10模)

对于TM01模式时,

 

若近似取

则得到:  。

按照以上方法，我们初步确定切角大小C=2.8mm。

基于HFSS的圆极化天线的建模

在HFSS中构建模型（这个相对简单，本博文就只截取关键步骤）：

（1）介质基板为介电常数为2.5的Arlon DiClad 527 (tm)，介电损耗为0.0018，介质基板的厚度h=1.6 mm

（2）设置端口激励：（为了仿真的更快，更接近真实情况，采用集总端口）

（3）设置边界条件：（天线仿真必须可采用辐射边界条件）

（4）中心频率设置以及优化仿真（最大迭代次数可以设置小一些）

（5）检查模型是否有问题

圆极化天线的仿真分析

根据上述数学分析，我们初始确定以下参数：W=L=35mm，C=2.8mm，X_f=6mm，然后建立好HFSS仿真模型，最后进行仿真得到下列结果：

根据上述的仿真结果，我们发现天线的工作频率在2.61 GHz，这与我们要求的中心频率2.45GHz有些偏移，因此我们需要优化相关参数，使其工作频率在2.45GHz。

首先优化参数W，使天线工作在2.45GHz。如下所示。

根据上述的仿真结果，我们发现当W=37.5mm时，天线的工作频率在2.45 GHz，通过Smith圆图发现天线不是在最佳匹配点，因此我们需要优化相关参数，使其工作频率2.45GHz时达到最佳匹配。这可通过优化参数X_f完成，优化结果如下所示。

我们选取Yf=6.6mm，查看其Smith图，如下：

根据上述的仿真结果，我们发现天线的工作频率在2.45 GHz，并且天线是在最佳匹配点，因此我们查看其圆极化的情况，结果如下所示。

3dB轴比带宽:

从上图可知，天线圆极化的轴比带宽情况不是很理想，因此我们可以通过优化参数C使其满足要求。

天线在2.45GHz频率下处phi=0°的轴比曲线。

天线在2.45GHz频率下处phi=90°的轴比曲线。

圆极化天线最终仿真结果

根据上述仿真分析，我们得到工作在2.45GHz时的圆极化天线，其相关性能指标图如下所示。

天线的S11参数如下图所示：

天线在2.45GHz频率下处phi=0°和phi =90°的轴比曲线。

轴比带宽如下图所示：

天线在直角坐标下总增益与左、右旋增益的方向图如下图所示，从中我们可以看，天线是右旋圆极化的。

天线在直角坐标下phi=0°和phi=90°时，总增益与右旋增益的方向图如下图所示，从中我们可以看，天线是右旋圆极化的。

天线在极坐标下总增益的方向图如下图所示。

天线在极坐标下，在phi=0°下，总增益方向图与右旋圆极化的增益如下图所示，从中我们可以看，天线是右旋圆极化的。

天线在极坐标下，在phi=90°下，总增益方向图与右旋圆极化的增益如下图所示，从中我们可以看，天线是右旋圆极化的。

天线的三维方向图如下图所示：

体现在天线上的方向图如下所示：

小结

本篇博文主要介绍了微带圆极化天线的设计过程，首先根据基础公式演算出基本的物理尺寸，然后通过软件相应的设计工具，最终成功得到了一款中心频率为2.45GHz的右旋圆极化天线，带宽为2.412-2.484GHz（BW=72Mhz相对带宽为2.94%），3dB轴比带宽为0.68%。