天线的设计仿真与优化

0 2
)
(4)关系： G Da
天线效率： a
Pr Pin
不同天线要求增益不同： 高增益高效率：雷达 低增益全向性：通信
2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比
I
辐射
I in
Z in
功率
Z in
Zr
Pr
V in
(1)辐射阻抗：
Zr
2Pr I2
Rr jXr
(2)输入阻抗：
Zin
Vin Iin
开放结构：有效向外部空间辐射
一、天线辐射原理
EH
E
E
H
HE
I t
发射机
时变信号
H r ,tJ r ,t D r ,t E r,tB r,t t
t
时变电流激励出时变磁场， 导 时变磁场激励出时变电场， 体 …，以电磁波形式传播。
电场：在J平面面内，E面 磁场：垂直于J平面，H面
振子天线
一、天线辐射原理
基板厚度h对天线性能有较大影响：
h大时，有助于提高带宽：
B W ( M H z ) 5 .0 4 f2 h , f:G H z , h :m m
h太大，容易出现高次模：
h1
0 10
h1100 12.2mm
取：3.2
三、微带天线设计
3.贴片宽度W确定
W大些对频带、效率及阻抗匹配都有利。
Rr
90rr2 1WL
(1)波瓣
主瓣：最强方向 背瓣：主瓣相对 副瓣：其他波瓣
(2)半功率宽度：2 0 .5 场强为最大值 1 2 功率密度为最大值1/2 3宽度
(3)副瓣电平（）
SL L i10lgS S a a v vim m a a x xdB =20lgE E im m a a x xdB
1.辐射参数：方向性系数D与增益G
1.6mm
g
0 re
86.6mm
L g 2L
2 40mm
三、微带天线设计
5.同轴及馈电位置确定
同轴线特性阻抗：
Zc
1
2
ln b a
空气填充：0,0
2a
取：a 0.7mm
振子辐射过程 天线有方向性： 不同方向辐射功率大小不同，用方向图描述。
二、天线参数
1.辐射参数：方向图 描述天线辐射场幅度在空间的分布情f (况 ,：)
(1)3D方向图：（球坐标系）
3D极坐标图
3D直角坐标图
1.辐射参数：方向图
(2)2D方向图：主平面（E面、H面）
E面
电力线
E
磁力线
H面 H
1.辐射参数：波瓣参数
Zc
1 1
(3)反射系数：
Z in Z in
Zc Zc
(4)驻波比：
1 VSWR
1
天线要求：输入阻抗匹配，驻波比小，一般≤1.5。
2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比
Z in
(Zc, )
Zr
Z in
0
应用： S11计算辐射阻抗。
(1)去嵌入()： 0 ej2
(2)计算辐射阻抗：
Zr Zc11 00 RrjXr
(1)定义：
D(0,0)
某 各方 方向 (向0,平 0)辐 均射 辐功 射率 度 功密 率 度 S密 Parv (/40, r
0 2
)
(2)含义：以平均辐射功率为标准来衡量辐射能量在天线
主瓣方向上的集中程度。
(3)定义：
G(0,0)
某 各方 方向 (向0,平 0)辐 均射 输功 入率 度 功密 率 度 S密 Paivn(40, r
(3)谐振特性： 当0时，天线谐振。 谐振时，实数，且最大。
(Zc, )
0
Rr L C
4.2 微带天线分析与设计
一、微带天线结构
优点： 低剖面；重量轻； 易加工；易集成。 缺点： 损耗大，效率低。
微带基板()：εr, δ, h 接地面()：有限接地面，通常按无限接地面处理 贴片()：L，W，t, 辐射电磁波 馈线()：, 加入激励信号
2
W↑，↓, 便于与微带匹配
太宽产生高次模，从而引起畸变：
W
c 2fr
12r
1/
2
2320.045122.21/248mm
取：W 30mm
Rr
90
r
2 r
1
L W
2
646
三、微带天线设计
4.贴片长度L确定
r1
r1
re 2 2 1 12h/w
1.997
L0.412h re 0.3 W/h0.264 re 0.258 W/h0.8
Rr
90
rr2 1
L W
2
二、微带天线的分析
3.谐振长度L：
L0.412hrere 0.02.5 38W W /h /h 0.02.6 84
r1
r1
re 2 21 12d/w
L2Lg 0 2 2 re
谐振长度L：
Lg 2Lg
2
2
二、微带天线的分析
4.边馈输入阻抗：（谐振时）
由于两个缝隙间等效长度，
一、微带天线结构
1.贴片形状
一、微带天线结构
2.馈电方式
微带线边馈
插入微带边馈
同轴底馈
缝隙耦合馈电
电磁耦合馈电
二、微带天线的分析
1.理想微带谐振腔 边缘：理想磁壁；长度：λ2 ;
电压：两端强，中间零； 电流：两端零，中坚强。 磁壁
二、微带天线的分析
2.边缘效应：辐射电导
等效辐射：同相双缝
单缝辐射阻抗：
(Yc Yr )
此结果对于插入式微带
2Yr
/
cos2
L
L1
,
(L
g 2
,
L1'
L1 )
馈电也适用。
三、微带天线设计 1.设计要求
✓天线形式：同轴馈电微带天线 ✓工作频率：2.45 ✓输入阻抗：50Ω ✓驻 波 比: ≤1.5
三、微带天线设计
2.基板选择
选择 5880微波基板材料，
2.2, δ=0.0009
L 2L g
具有阻抗搬移功2能。
输入阻抗：Zin
Zr 2
Rr 2
二、微带天线的分析
底馈பைடு நூலகம்入阻抗：
Y Y i n 1 i n 2
Y in Y in 1 Y in 2 Y cY Y c r jjY Y c rttg gL L 1 1 '' Y cY Y c r jjY Y c rttg gL L ''2 2
Yc
Yr Yc
jYctg jYrtg
L1' L1'
Yc
Yr Yc
jYctg jYrtg
L1' L1'
Z in ( L1 )
Zr 2
cos2
L
L1
Z in (0) cos 2
L
L1
2Yc2Yr 1 tg 2 L1' , Yc2 Yr 2tg 2 L1'
电磁工程设计与仿真
第四章 天线设计、仿真与优化 （一）
主要内容
4.1 天线理论基础 4.2 微带天线分析与设计 4.3 同轴馈电微带天线的仿真与优化 4.4 微带馈电微带天线的仿真与优化 4.5 微带天线阵设计与仿真 4.6 微带相控阵设计与仿真
4.1 天线理论基础
一、天线辐射原理
天线: 能有效地发射或接收电磁波的装置。 封闭结构：不能有效向外部空间辐射