《射頻微波芯片設計》專欄適用于具備一定微波基礎知識的高校學生、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計流程，設計方法，設計要點以及最新的射頻/毫米波前端芯片工程實現技術。

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.自動化設計——介紹主流軟件中的自動化設計工具

4.片上天線概述——介紹片上天線的機遇，挑戰，常見形式

前言

本期內容是對上期《淺析自動化設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計天線的具體過程（實際工程還得考慮天線周圍的真實環境，生產公差以及成本等等，后續有時間可以接著寫，這期主要是帶大家入門）。通過本篇博文，讀者朋友們能夠設計出基本的圓極化微帶天線，明白如何具體地從數學公式演變到天線物理尺寸，同時掌握基于HFSS的天線設計流程（片上天線，AoC，設計與本文中提及的微帶天線設計流程大同小異，主要區別點就在于建立準確的襯底模型和選擇適合片上工作的天線結構）。

其實早在十多年前，李明洋老師就在他的《HFSS天線設計》一書中提到了一個1.57GHz的GPS微帶圓極化天線，如下圖所示，該天線結構簡單，主要通過寬長比的調節來實現對輻射邊的相位差的控制，進而實現等幅、相差90度輻射，也就是實現圓極化，但是該方法調試相對困難，天線帶寬較小。本文在此基礎上引入切角的方案，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計過程。

圖片來源：《HFSS天線設計》

微帶切角圓極化天線設計原理

本文設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計思路：

1、按照普通微帶貼片的設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、調節同軸饋電點的位置Xf，使其達到最佳匹配。

3、按照切角形成圓極化的原理，初步設定切角的尺寸大小。

4、設定優化目標，調節饋電點的位置以及切角大小優化，使其達到目標。

一.天線原型設計

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

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為介質內的導波波長，即：

考慮到邊緣縮短效應后，實際的輻射單元長度L應為：

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]. 電子科技大學出版社, 2014.”）

當給定工作波長，可以通過選擇適當的天線尺寸和基片的相對介電常數來獲得寬角圓極化良好的軸比。

切角計算公式如下：

其中 為天線的總品質因子， 可通過如下公式計算

分別對應于輻射、介質、導體損耗、表面波的品質因子值。

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

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中構建模型（這個相對簡單，本博文就只截取關鍵步驟）：

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

（2）設置端口激勵：（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）中心頻率設置以及優化仿真（最大迭代次數可以設置小一些）

（5）檢查模型是否有問題

圓極化天線的仿真分析

根據上述數學分析，我們初始確定以下參數：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果：

根據上述的仿真結果，我們發現天線的工作頻率在2.61 GHz，這與我們要求的中心頻率2.45GHz有些偏移，因此我們需要優化相關參數，使其工作頻率在2.45GHz。

首先優化參數W，使天線工作在2.45GHz。如下所示。

根據上述的仿真結果，我們發現當W=37.5mm時，天線的工作頻率在2.45 GHz，通過Smith圓圖發現天線不是在最佳匹配點，因此我們需要優化相關參數，使其工作頻率2.45GHz時達到最佳匹配。這可通過優化參數X_f完成，優化結果如下所示。

我們選取Yf=6.6mm，查看其Smith圖，如下：

根據上述的仿真結果，我們發現天線的工作頻率在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化參數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果

根據上述仿真分析，我們得到工作在2.45GHz時的圓極化天線，其相關性能指標圖如下所示。

天線的S11參數如下圖所示：

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。

天線在極坐標下總增益的方向圖如下圖所示。

天線在極坐標下，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：

體現在天線上的方向圖如下所示：

小結

本篇博文主要介紹了微帶圓極化天線的設計過程，首先根據基礎公式演算出基本的物理尺寸，然后通過軟件相應的設計工具，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%。