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.

       工程文件的下载地址为: 链接：https://pan.baidu.com/s/1hXBjHasNJyEAMkg76zbDYA

提取码：e3hi  大家也可以通过加入QQ群一起来讨论微波天线和信号完整性的问题

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