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微带贴片天线是一种结构比较简单,体积小,容易制造的天线,从1953年提出到现在,广泛应用于通信领域,甚至在军工领域都有应用本文从原理计算到一个工作在3.5G频段的天线作为实际例子,展示如何对微带贴片天线设计
一. 贴片天线原理概述
1.1:微带天线的辐射原理
微带天线的辐射原理的本质也是通过驻波辐射,从结构来讲,微带天线的辐射体的长度L,相当于半波振子天线的长度,因为L的长度设计为半个工作波长左右,那么L的两端为开路,并且两端为不同极性的激励,因为两端电场的方向是相反的,而且电场能量最大,所以在理论上成为间隙激励,随着激励信号的变化,L上面的电场由于间隙相位和幅值的幻化而变化,把电磁能量辐射到空间
path_antenna的辐射原理分析
1.2微带贴片天线的初始设计计算
1.2.1:辐射贴片计算
a.辐射宽度W计算公式如下
其中f为工作中心频率,C为光速,εr为介质的介电常数
B:辐射体的长度L计算
辐射体L首先计算介质波长
介质中的波长
其中εe为有效介电常数
辐射体长度
辐射间隙
有效介电常数
这些算式看着很难,但是用计算器算起来很快
二. 结构参数的计算
介电常数为4.2,中心工作频率为3.5G,介质厚度h为3mm的辐射体数据,计算的话我使用了数学软件mathematica,matlab虽然有antennatoolsbox,但是我觉得还是回归纯粹性的数学计算比较好,具体计算过程请看下面的程序
使用mathematica计算结构参数
这里面少了馈线位置的算法,馈线位置一般我们找到50ohm的阻抗点进行馈电,对于path_antenna来讲,传输的模式主要是TM10模,TM10模在W方向(也就是垂直于传播的方向/)上面变化几乎为0,所以W方向任何一个点都无所谓,但是在L部分有λ/2之间的变化,所以主要计算的是L方向的坐标,计算方法如下程序:
计算馈电点的位置
三. 使用hfss进行参数化建模
根据path_antenna的结构我们需要建立的工程变量如下:
Path_W=26.6mm
Path_L=20mm
Sub_H=3mm
Lg=38mm
Wg=44.6mm
Fw=0mm
Fl=5.3mm
求解类型为模式求解模式
HFSS->solution type->model
端口选择激励
Lumped port
Path and GND->perfect E
Air_BOX->radiuation
求解频率和扫频
3.5Ghz 20 0.02
Fast 2.5G-4.5G 0.01
建模和求解设置过程可以见视频https://www.bilibili.com/video/av90130095/,这里不再展开描述
四:仿真结果优化分析(S11)
S11的值如下:
初始S11
从S11的情况来看,谐振点在3.32Ghz,我们计算的是3.5G,现在看起来谐振有点偏低,原因是计算的时候我们使用了四舍五入,这会造成一定偏差,但是这不是主要原因,主要原因是数值计算未必会考虑边缘场的耦合,但是不管怎么样,我们都得把结果进行优化
从原理来分析,谐振点比较低,说明波长,物理尺寸比较大,我们就把物理尺寸调小一点,谐振变化主要来源于TM10模在主模方向的大小变化引起的,也就是L的变化,所以我们把L作为扫描对象
扫描参数添加
运行扫描结果如下
随着L的减少而变化的S11
从图中看,随着L的长度减少,谐振点在升高,3.5Ghz的时候对应的点是19mm和18.8mm,选这两个都可以,但是18.8mm的驻波好一点
我们选18.8mm这个长度结果
L=18.8mm的S11
谐振点对了,驻波也可以,但是带宽太窄,下一步要把带宽调宽一点,调整带宽的思路无非就是调整Q值,那么我们就要改变辐射体,把电阻实部增加一点
切去俩个角以增加电阻值
切角之后的S11
这样带宽就能宽一些,切去的角越大,带宽越宽,但是注意有一定的极限,切太大有可能出现两个谐振点,因为除过TM10模,激起了其他模式.切小其他模式的影响还不太明显,所以从S11上面反映不出来
五. 辐射参数分析
三维的辐射场图
三维辐射场可以看出在正Z方向有最大的辐射增益,-Z方向增益就比较低,那么要求我们在安装天线的时候,要把正面对着我们要接收的电磁波方向,不能把背面朝外,否则接收不到信号
天线的总体辐射参数
天线的总体辐射性能如果需要很准确的话个人建议用PLM,不要用辐射边界条件,下来我会对辐射参数进行优化.
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