《射頻微波芯片設(shè)計》專欄適用于具備一定微波基礎(chǔ)知識的高校學(xué)生、在職射頻工程師、高校研究所研究人員，通過本系列文章掌握射頻到毫米波的芯片設(shè)計流程，設(shè)計方法，設(shè)計要點以及最新的射頻/毫米波前端芯片工程實現(xiàn)技術(shù)。

本文共計四部分

（全文閱讀大概需5分鐘，希望對您都開卷有益）

1.前    言——討論為啥要了解天線

2.基本概念——討論常見的天線概念

3.自動化設(shè)計——介紹主流軟件中的自動化設(shè)計工具

4.片上天線概述——介紹片上天線的機遇，挑戰(zhàn)，常見形式

前言

本期內(nèi)容是對上期《淺析自動化設(shè)計天線和片上天線概述》的一個補充，旨在給天線小白們展示一下較為真實的設(shè)計天線的具體過程（實際工程還得考慮天線周圍的真實環(huán)境，生產(chǎn)公差以及成本等等，后續(xù)有時間可以接著寫，這期主要是帶大家入門）。通過本篇博文，讀者朋友們能夠設(shè)計出基本的圓極化微帶天線，明白如何具體地從數(shù)學(xué)公式演變到天線物理尺寸，同時掌握基于HFSS的天線設(shè)計流程（片上天線，AoC，設(shè)計與本文中提及的微帶天線設(shè)計流程大同小異，主要區(qū)別點就在于建立準(zhǔn)確的襯底模型和選擇適合片上工作的天線結(jié)構(gòu)）。

其實早在十多年前，李明洋老師就在他的《HFSS天線設(shè)計》一書中提到了一個1.57GHz的GPS微帶圓極化天線，如下圖所示，該天線結(jié)構(gòu)簡單，主要通過寬長比的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對輻射邊的相位差的控制，進而實現(xiàn)等幅、相差90度輻射，也就是實現(xiàn)圓極化，但是該方法調(diào)試相對困難，天線帶寬較小。本文在此基礎(chǔ)上引入切角的方案，通過一款2.45GHz的微帶切角圓極化天線，給大家演示具體的設(shè)計過程。

圖片來源：《HFSS天線設(shè)計》

微帶切角圓極化天線設(shè)計原理

本文設(shè)計的天線的中心頻率為f_1，的圓極化天線，故而可以采用如下設(shè)計思路：

1、按照普通微帶貼片的設(shè)計方法計算貼片的尺寸，隨后利用軟件仿真，使得其工作頻率在f₁處。

2、調(diào)節(jié)同軸饋電點的位置Xf，使其達到最佳匹配。

3、按照切角形成圓極化的原理，初步設(shè)定切角的尺寸大小。

4、設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)節(jié)饋電點的位置以及切角大小優(yōu)化，使其達到目標(biāo)。

一.天線原型設(shè)計

采用的介質(zhì)基板Arlon DiClad 527 (tm)，它的介電常數(shù)e_r=2.5，介電損耗為0.0018，介質(zhì)基板的高度h=1.6 mm。天線的平面結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

其三維立體圖如下圖所示。

二、微帶輻射貼片尺寸的估算

，天線采用同軸線饋電。

對于輻射貼片的寬度W，可由以下公式估算：

有效介電常數(shù)e₀

等效輻射縫隙長度DL

輻射單元長度L一般取l_g/2，這里的l_g為介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長，即：

考慮到邊緣縮短效應(yīng)后，實際的輻射單元長度L應(yīng)為：

對于同軸線饋電的微帶天線，在確定貼片的長度L與寬度W之后，還需要確定同軸線饋電點的位置，饋電點的位置會影響天線的輸入阻抗。在主模TM₁₀工作模式下，在寬帶W方向上的電場強度不變，因此饋電點在寬度W方向的位移對輸入阻抗的影響很小，但是在寬度方向上偏離中心位置時，會激發(fā)TM_1n模式，增加天線的交叉極化輻射，因此寬度方向上饋電點的位置一般取在中心點（Y_f=0）。饋電點在矩形貼片長度L方向邊緣處（x=＋/-L/2）的輸入阻抗最高。因此可以計算出輸入阻抗為50歐姆的饋電點的位置：

其中：

對于本文設(shè)計的圓極化天線，按照切角的方式形成擾動，使得天線在圓極化的條件下工作。因此我們選取W=L，按照以上公式，我們初步計算得出W=L=35mm，同時根據(jù)計算取饋電點偏移中心點的頻率X_f=6 mm。

微帶貼片天線圓極化切角計算（具體詳見“聶在平. 天線工程手冊[M]. 電子科技大學(xué)出版社, 2014.”）

當(dāng)給定工作波長，可以通過選擇適當(dāng)?shù)奶炀€尺寸和基片的相對介電常數(shù)來獲得寬角圓極化良好的軸比。

切角計算公式如下：

其中 為天線的總品質(zhì)因子， 可通過如下公式計算

分別對應(yīng)于輻射、介質(zhì)、導(dǎo)體損耗、表面波的品質(zhì)因子值。

其中，a、b為天線的長和寬，是貼片金屬的電導(dǎo)率； 是介質(zhì)損正切； 為真空中的磁導(dǎo)率。

矩形微帶天線通常工作于TM01模(或TM10模)

對于TM01模式時,

 

若近似取

則得到:  。

按照以上方法，我們初步確定切角大小C=2.8mm。

基于HFSS的圓極化天線的建模

在HFSS中構(gòu)建模型（這個相對簡單，本博文就只截取關(guān)鍵步驟）：

（1）介質(zhì)基板為介電常數(shù)為2.5的Arlon DiClad 527 (tm)，介電損耗為0.0018，介質(zhì)基板的厚度h=1.6 mm

（2）設(shè)置端口激勵：（為了仿真的更快，更接近真實情況，采用集總端口）

（3）設(shè)置邊界條件：（天線仿真必須可采用輻射邊界條件）

（4）中心頻率設(shè)置以及優(yōu)化仿真（最大迭代次數(shù)可以設(shè)置小一些）

（5）檢查模型是否有問題

圓極化天線的仿真分析

根據(jù)上述數(shù)學(xué)分析，我們初始確定以下參數(shù)：W=L=35mm，C=2.8mm，X_f=6mm，然后建立好HFSS仿真模型，最后進行仿真得到下列結(jié)果：

根據(jù)上述的仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)天線的工作頻率在2.61 GHz，這與我們要求的中心頻率2.45GHz有些偏移，因此我們需要優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，使其工作頻率在2.45GHz。

首先優(yōu)化參數(shù)W，使天線工作在2.45GHz。如下所示。

根據(jù)上述的仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)W=37.5mm時，天線的工作頻率在2.45 GHz，通過Smith圓圖發(fā)現(xiàn)天線不是在最佳匹配點，因此我們需要優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，使其工作頻率2.45GHz時達到最佳匹配。這可通過優(yōu)化參數(shù)X_f完成，優(yōu)化結(jié)果如下所示。

我們選取Yf=6.6mm，查看其Smith圖，如下：

根據(jù)上述的仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)天線的工作頻率在2.45 GHz，并且天線是在最佳匹配點，因此我們查看其圓極化的情況，結(jié)果如下所示。

3dB軸比帶寬:

從上圖可知，天線圓極化的軸比帶寬情況不是很理想，因此我們可以通過優(yōu)化參數(shù)C使其滿足要求。

天線在2.45GHz頻率下處phi=0°的軸比曲線。

天線在2.45GHz頻率下處phi=90°的軸比曲線。

圓極化天線最終仿真結(jié)果

根據(jù)上述仿真分析，我們得到工作在2.45GHz時的圓極化天線，其相關(guān)性能指標(biāo)圖如下所示。

天線的S11參數(shù)如下圖所示：

天線在2.45GHz頻率下處phi=0°和phi =90°的軸比曲線。

軸比帶寬如下圖所示：

天線在直角坐標(biāo)下總增益與左、右旋增益的方向圖如下圖所示，從中我們可以看，天線是右旋圓極化的。

天線在直角坐標(biāo)下phi=0°和phi=90°時，總增益與右旋增益的方向圖如下圖所示，從中我們可以看，天線是右旋圓極化的。

天線在極坐標(biāo)下總增益的方向圖如下圖所示。

天線在極坐標(biāo)下，在phi=0°下，總增益方向圖與右旋圓極化的增益如下圖所示，從中我們可以看，天線是右旋圓極化的。

天線在極坐標(biāo)下，在phi=90°下，總增益方向圖與右旋圓極化的增益如下圖所示，從中我們可以看，天線是右旋圓極化的。

天線的三維方向圖如下圖所示：

體現(xiàn)在天線上的方向圖如下所示：

小結(jié)

本篇博文主要介紹了微帶圓極化天線的設(shè)計過程，首先根據(jù)基礎(chǔ)公式演算出基本的物理尺寸，然后通過軟件相應(yīng)的設(shè)計工具，最終成功得到了一款中心頻率為2.45GHz的右旋圓極化天線，帶寬為2.412-2.484GHz（BW=72Mhz相對帶寬為2.94%），3dB軸比帶寬為0.68%。