同轴馈电矩形微带天线设计与分析 2(2)

2019-08-31 12:57

S21=

天线方向性系数= 天线增益=

4.总结

总结工作内容,此处与摘要不同,需更为详细。

2.微带贴片天线理论分析

图1是一个简单的微带贴片天线的结构,由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数?r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电,本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电,也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。

图1 微带天线的结构

对于矩形贴片微带天线,理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工总模式是TM10模,意味着电场在长度L方向有λg/2的改变,而在宽度W方向上保持不变,如图2(a)所示,在长度L方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量,在宽度W方向的边缘处由于终端开路,所以电压值最大电流值最小。

(a)微带天线俯视图 (b)微带天线侧视图

图2 微带天线示意图

从图2(b)可以看出,微带线边缘的电场可以分解为垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分,两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反,平行电场分量大小相等、方向相反;因此,远区辐射电场垂直风量相互抵消,辐射电场平行于天线表面。

假设矩形贴片天线的有效长度设为Le,则有

Le??g/2 (1)

式中,λg表示导波波长,有

?g??0/?e (2)

式中,?0表示自由空间波长;?e表示有效介电常数,且

式中,

h??e??2?1??2?1?1?12??wrr?12?? (3)

?r表示介质的相对介电常数;h表示介质层厚度;W表示微带贴片的宽度。

由此,可计算出矩形贴片的实际长度L,有

L?L?2?L??e0/?r?2?L?

c1?2?L2f0?e (4)

式中,c表示真空中光速;f0表示天线工作频率;?L表示图2a中所示的等效辐射缝隙

的长度,且有

?L?0.412

??e?0.3??W/h?0.264???e?0.258??W/h?0.8? (5)

c??r?1???2f0?2? (6)

?12矩形贴片的宽度W可由下式计算,

W?

对于同轴线馈电的微带贴片天线,在确定了贴片长度L和宽度W之后,还需要确定同轴线馈点的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微带应用中通常是使用50Ω的标准阻抗,因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω。对于如图3所示的同轴线馈电的微带贴片天线,坐标原点位于贴片的中心,以(Xf,Yf)表示馈点的位置坐标。

俯视图 侧视图 图3同轴线馈电的微带天线

对于TM10模式,在W方向上电场强度不变,因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈点,为了避免激发TM1n模式,在W方向上馈点的位置一般取在中心点,即

Yf?0 (7)

在L方向上电场有λg/2的改变,因此在长度L方向上,从中心点到两侧,阻抗逐渐变大;输入阻抗等于50Ω是的馈点位置可由下式计算而得,

Xf? 式中,

L2?re?L? (8)

?? (9)

上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的,然而实际设计中,参考地都是有限面积的,理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时,计算结果就可以达到足够的准确,因此设计中参考地的长度LGND和宽度WGND只需满足以下条件即可,即

?? (10) ?? (11)

3.天线几何结构参数计算

本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段,其中心频率为2.45GHz;无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003,其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm;天线使用同轴线馈电。

根据前文给出的理论分析可以计算出微带天线的几何尺寸,包括贴片的长度L和宽度W、同轴线馈点的位置坐标(Xf,Yf),以及参考地的长度LGND和WGND。

1,矩形贴片的宽度W

把??m/s,??,??代入(6)式可得微带天线的宽度,即 W=41.4mm 2,有效介电常数??

把h=5mm,W=41.4mm,??代入(3)式,可得有效介电常数,即 εe = 2.95

3,辐射缝隙的长度??

把h=5mm,W=41.4mm,εe = 2.95,??=2.95代入(5)式,可得缝隙的长度,即 ??=2.34mm

4,矩形贴片的长度L

把??m/s,??,??=2.95,??=2.34mm代入(4)式,可得矩形微带贴片的长度,即

带贴片的长度,即

L=31.0mm

5,参考地的长度LGND和宽度WGND

把h=5mm,W=41.4mm,L=31.0mm分别代入(10)、(11)可以计算得到参考地长度和宽度,即

LGND≥61.8mm WGND≥71.4mm

6,同轴线馈点的位置坐标(Xf,Yf)

把??,W=41.4mm,L=31.0mm分别代入是(7)(8)(9),可以算出微带天线同轴线馈点的位置坐标(Xf,Yf),即

Xf=9.5mm Yf=0mm

参考文献

列出第一部分(前言),第三部分(计算参数所使用的公式)的参考文献,看过的论文、书籍都需列出,否则为抄袭。 格式:

[1] XXX(作者姓名),“一种XXX”(论文标题),电子与信息学报(发表期刊),vol. 5(卷号),

No. 6(期号), pp. 133-144(页码), 2009(发表年).


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