微帶天線信息處理的對比研究

微帶天線信息處理的對比研究

1微帶機(jī)構(gòu)天線的仿真微帶摩擦天線用于將微帶摩擦天線用作輻射源。具有低橫截面、大體積、輕重量、易組裝、傳輸方式靈活、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，它已廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信、軍事測量、雷達(dá)、雷達(dá)等領(lǐng)域。其中，片劑形狀是影響天線性能的重要因素之一，直接影響天線寬度、頻率、振幅等指標(biāo)。在設(shè)計(jì)微帶間距天線時(shí)，由于多個(gè)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，因此有必要充分考慮天線的性能指標(biāo)，并選擇符合實(shí)際需要的邦束形狀。在這項(xiàng)工作中，我們使用ansoft的hfss軟件對常見的圓形和圓形微帶天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬，并比較和分析了它們的天線性能。2模擬設(shè)計(jì)2.1微波干部設(shè)備的功能高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HighFrequencyStructureSimulator,HFSS)是一款界面友好、功能完備、采用有限元法的三維全波電磁場仿真軟件,可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場,能直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果.它廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域,具有以下特色功能:(1)用戶可以通過交互式界面輸入高頻元件或電路的幾何結(jié)構(gòu)、材料類型、端口位置、端口特性阻抗定義線等參數(shù).(2)可以按用戶指定的精度計(jì)算多端口結(jié)構(gòu)端口處的S參數(shù).(3)能以電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H作為基本物理量,從麥克斯韋(Maxwell)方程出發(fā),求解微波元件中的電場和磁場的分布和各種曲線及圖形.(4)可以同時(shí)分析多個(gè)微波元件,即進(jìn)行并行處理.(5)能夠與頻域/時(shí)域的電路仿真器Nexxim和AnsoftDesigner實(shí)現(xiàn)動態(tài)鏈接,擁有方便的原理圖集成和仿真數(shù)據(jù)的管理,具備功能強(qiáng)大而高效的電磁場設(shè)計(jì)流程.2.2仿真天線模型的建立(1)設(shè)定HFSS軟件運(yùn)行參數(shù),如設(shè)定解算類型、是否復(fù)制幾何圖形的邊界、是否打開各工具窗口等.(2)打開新的工程,并在工程中插入一個(gè)或多個(gè)HFSS設(shè)計(jì)(insertHFSSdesign).(3)根據(jù)天線設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)指標(biāo)以及計(jì)算所得到的天線參數(shù),如天線的尺寸、材料、激勵(lì)、邊界等,獲得仿真天線模型.(4)設(shè)置仿真天線模型的分析參數(shù),如插入遠(yuǎn)場設(shè)置、解算頻率、起始頻率、終止頻率、掃頻模式、掃描次數(shù),并進(jìn)行校驗(yàn)分析.(5)根據(jù)仿真天線模型來獲得天線對應(yīng)的特性圖,如S參數(shù)圖、方向圖、輸入阻抗圖.2.3微帶麻黃微帶天線模型的建立設(shè)在接地板未開縫的情況下,中心頻率fr=2.34GHz,接地板的尺寸為50mm×50mm,介質(zhì)板材料為FR4,相對介電常數(shù)εr=4.4,介質(zhì)板的厚度h=1.6mm.矩形微帶貼片天線的各參數(shù)通過下列公式計(jì)算:W＜c2fr[εr+12]-1/2cW＜c2fr[εr+12]?1/2c為光速W為貼片的寬度(1)Δl=0.412h(εr+0.3)(W/h+0.264)(εr-0.258)(W/h+0.8)ΔlΔl=0.412h(εr+0.3)(W/h+0.264)(εr?0.258)(W/h+0.8)Δl為等效延伸長度(2)L=λg2-2ΔlLL=λg2?2ΔlL為貼片的長度(3)εe=εr+12+εr-12[1+10hW]-1/2εe=εr+12+εr?12[1+10hW]?1/2εe為等效介電常數(shù)(4)λ0=Cfrλ0λ0=Cfrλ0為電磁波波長(5)λg=λ0√εeλg為等效電磁波波長(6)設(shè)輻射邊界的長寬略大于接地板與介質(zhì)板的長寬,其頂部高于貼片λ0/4.GND尺寸:Lc≥L+0.2λgLc為接地板的長度(7)Wc≥W+0.2λgWc為接地板的寬度(8)建立坐標(biāo)系,其中X軸代表微帶天線的貼片長度,Y軸代表微帶天線的貼片寬度,Z軸代表微帶天線的貼片高度,則同軸饋線的位置為(χp,0,0).其中χp=2L-Lπarccos√5W6λ0(9)矩形微帶貼片天線模型的參數(shù)設(shè)置如下所示:GND(-25,-25,0)dx=50,dy=50,dz=0rectanglepecSub(-25,-25,0)dx=50,dy=50,dz=1.6boxFR4—epoxyPatch(-12,-8,1.6)dx=24,dy=16,dz=0rectanglepecCoax(-3.45,0,0)dx=1.15,dy=0,dz=-1.6cylindervacuumPort(-3.45,0,-1.6)dx=1.15,dy=0,dz=0circleCoax—pin(-3.45,0,0)dx=0.5,dy=0,dz=-1.6cylinderpecProbe(-3.45,0,0)dx=0.5,dy=0,dz=1.6cylinderpecAirbox(-35,-35,30)dx=70,dy=70,dz=-30boxvacuum通過計(jì)算可得,貼片的寬度W=24mm,貼片的長度L=16mm,由此貼片的面積為S=348mm2.以上是采用背饋式的矩形微帶貼片天線,利用HFSS軟件進(jìn)行仿真所得的天線模型,如圖1(a)所示.2.4天線模型的建立為了方便對照,設(shè)圓形微帶貼片天線與上述的矩形微帶貼片天線具有相同的中心頻率、介質(zhì)板材料、相對介電常數(shù)及介質(zhì)板厚度.在頻率較低時(shí)(小于2GHz),圓形微帶貼片天線貼片半徑的計(jì)算公式為:a=1.841×c2πfr√εr(10)在頻率較高時(shí)(大于2GHz),圓形微帶貼片天線的貼片半徑還與介質(zhì)板的厚度有關(guān),其計(jì)算公式為:ae=a[1+2hπaεr(lnπa2h+1.7726)]2(11)由于使用理論半徑所設(shè)計(jì)出的天線無法滿足天線的實(shí)際使用性能,所以圓形貼片的實(shí)際半徑要比理論值大得多,并且需要通過不斷調(diào)整仿真參數(shù)來滿足天線的設(shè)計(jì)要求.通過多次調(diào)整與仿真,最后獲得圓形微帶貼片天線模型的參數(shù)設(shè)置如下:Sub(-23,-23,0)dx=46,dy=46,dz=1.6boxFR4—epoxyGND(-23,-23,0)dx=46,dy=46,dz=0rectanglepecPatch(0,0,1.6)dx=17.7,dy=0,dz=1.6rectanglepecCoax(-6.9,0,0)dx=0.9246,dy=0,dz=-1.6cylindervacuumCoax—pin(-6.9,0,0)dx=0.402,dy=0,dz=-1.6cylinderpecProbe(-6.9,0,0)dx=0.402,dy=0,dz=1.6cylinderpecPort(-6.9,0,-1.6)dx=0.9246,dy=0,dz=-1.6circleCut(-6.9,0,0)dx=0.9246,dy=0,dz=0circle通過計(jì)算可得:貼片半徑a=17.7mm,則貼片的面積為S=983mm2.以上是采用背饋式的圓形微帶貼片天線,利用HFSS軟件進(jìn)行仿真所得的天線模型,如圖1(b)所示.2.5微帶膠片天線的特性在矩形微帶貼片天線與圓形微帶貼片天線仿真模型的基礎(chǔ)上,通過HFSS軟件設(shè)置相關(guān)的分析參數(shù),最終獲得天線的特性圖,包括S參數(shù)圖,方向圖以及輸入阻抗圖,它們分別如圖2、圖3和圖4所示.S參數(shù)是在波端口處電磁波的反射功率與入射功率之比,它和阻抗匹配有關(guān),并且決定著駐波比.S參數(shù)圖是描述天線的S參數(shù)隨頻率變化的圖形.一般認(rèn)為S參數(shù)小于-10dB時(shí),天線才能正常工作,此時(shí)的駐波比大致為2.絕對頻帶寬度定義為S參數(shù)小于-10dB的頻率范圍.相對頻帶寬度定義為絕對帶寬與中心頻率之比.在圖3(a)中,矩形微帶貼片天線的中心頻率為2.34GHz,上截止頻率為2.38GHz,下截止頻率為2.30GHz,絕對頻帶寬度為0.08GHz,相對頻帶寬度為3.42%,S參數(shù)的最低點(diǎn)為-20.58dB.在圖3(b)中,圓形微帶貼片天線的中心頻率為2.32GHz,這是由于為了獲得效果更好的E面與H面的空間增益,導(dǎo)致天線的中心頻率產(chǎn)生了微小的偏移.其上截止頻率為2.36GHz,下截止頻率為2.28GHz,絕對頻帶寬度為0.08GHz,相對頻帶寬度為3.45%,S參數(shù)的最低點(diǎn)為-39.55dB.方向圖是用來表示天線的輻射參量隨空間方位變化的圖形.E面和H面分別反映了天線在XOZ面和YOZ面上的增益大小.通過圖3(a)和圖3(b)的比較可以發(fā)現(xiàn)兩種不同形狀的微帶貼片天線的對稱性都較好,在Z軸方向上,兩者的輻射強(qiáng)度都達(dá)到最大值.其中矩形微帶貼片天線的增益為2.069dB,圓形微帶貼片天線的增益為1.013dB.由此可得,矩形微帶貼片天線的E面和H面在Z軸方向上輻射較強(qiáng)要強(qiáng)于圓形微帶貼片天線,其方向性較圓形微帶貼片天線更好.天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值.輸入阻抗圖是描述天線的輸入阻抗隨頻率變化的圖形.當(dāng)輸入阻抗的虛部為零時(shí),如果實(shí)部等于50Ω,則天線與饋線達(dá)到阻抗完全匹配,此時(shí)S參數(shù)可以達(dá)到很小.在圖4(a)中,當(dāng)矩形微帶貼片天線輸入阻抗的虛部為零時(shí),實(shí)部為50.14Ω,并且在虛部接近零時(shí),實(shí)部下降比較平滑,所以阻抗匹配很好.在圖4(b)中,當(dāng)圓形微帶貼片天線輸入阻抗的虛部為零時(shí),實(shí)部為50.71Ω,并且在虛部接近零時(shí),實(shí)部下降也比較平滑,所以阻抗匹配略遜色于矩形微帶貼片天線.通過對矩形微帶貼片天線與圓形微帶貼片天線的比較,可以得到以下結(jié)論:(1)貼片形狀的不同對微帶天線的帶寬影響不大,兩種貼片天線的相對帶寬都非常窄,在3.4%左右,這是微帶貼片天線的一個(gè)重大缺陷.隨著雙模態(tài)濾波、多層縫隙耦合、雙極化、半U(xiǎn)型開縫等先進(jìn)技術(shù)在擴(kuò)頻方面的不斷發(fā)展,微帶貼片天線的帶寬將得到有效的擴(kuò)展;(2)在中心頻率相同、介質(zhì)板材料相同、相對介電常數(shù)相同、介質(zhì)板厚度相同的前提下,滿足天線設(shè)計(jì)要求的圓形貼片面積是矩形貼片面積的2.56倍,這樣矩形微帶貼片天線在尺寸上就更占優(yōu)勢;(3)對比兩種貼片天線的方向圖可知,矩形微帶貼片天線的增益是2.069dB;而圓形微帶貼片天線的增益只有1.013dB,矩形微帶貼片天線的方向性更具優(yōu)勢;(4)不論是矩形微帶貼片天線還是圓形微帶貼片天線,其輸入阻抗的頻率特性都