探测馈电叠加贴片天线的建模与分析

打开实时脚本

这个例子展示了模拟和分析探针馈电堆叠贴片天线的步骤。标准的矩形微带贴片天线具有较窄的阻抗带宽，通常小于5%。堆叠补丁配置是将这些天线的阻抗带宽提高到大于25%[1]的方法之一。设计堆叠补丁有不同的方法，主要是不同的feed设计方式[2]。两种送料机构分别为探头送料和孔径耦合送料。这两种机制对天线的阻抗带宽行为和辐射特性都有影响。

探针馈电堆叠补丁几何

堆叠的补丁由两个大小略有不同的补丁组成，它们沿着z轴相互放置，并被介电材料隔开。两个贴片都相对于地平面居中。所述下贴片与所述接地平面之间的间隙也由介电材料填充。在单进给配置中使用时，顶部或底部贴片都由同轴探头驱动。这里的草图显示了几何图形的平面视图。

定义单位

为本例定义距离、频率和电阻的标准单位以及它们的等价乘法。

米= 1;赫兹= 1;欧姆= 1;Mm = 1e-3*米;GHz = 1e9*赫兹;

天线的尺寸

带两层衬底的探针馈电矩形堆叠贴片的天线尺寸在[1]中提供。变量名与[1]中提到的变量名相同，除了接地平面的变量名。在本例中，选择一个方形地平面，其大小为顶部补丁长度的三倍。选择两个贴片的尺寸使阻抗带宽最大化，并在[1]中提供了设计贴片天线的指导原则，并进行了灵敏度分析。对于正在建模的几何图形，上面的补丁略大于下面的补丁。

L1 = 13.5*mm;W1 = 12.5*mm;L2 = 15*mm;W2 = 16*mm;D1 = 1.524*mm;D2 = 2.5*mm;Xp = 5.4*mm;R_0 = 0.325*mm;Lgnd = 3*L2;Wgnd = 3*L2;

创建图层形状和基底

层:使用目录中的矩形形状创建堆叠补丁所需的三个金属层，即上层补丁、下层补丁和接地平面。所有图层都以坐标轴原点为中心。绘制图层边界以确定它们的大小和位置。

pU =天线。矩形(长=L2，宽=W2);pL =天线。矩形(长度=L1，宽度=W1);pGnd = antena . rectangle (Length=Lgnd,Width=Wgnd);图(pGnd)保持在plot(pU) plot(pL)网格在传奇(“Groundplane”，“上补丁”，“降低补丁”位置=“最佳”）

图中包含一个轴对象。axis对象包含3个line类型的对象。这些对象分别代表地平面、上补丁、下补丁。

电介质基板:本例中的堆叠贴片天线在上下贴片之间以及在下贴片与地平面之间具有电介质衬底。下片的相对介电常数比上片高。这意味着两个贴片之间存在松散的电耦合。

Epsr_1 = 2.2;Tandelta_1 = 0.001;dL =介电;dL。Name =“低子”；dL。EpsilonR = epsr_1;dL。LossTangent = tandelta_1;dL。厚度= d1;

Epsr_2 = 1.07;坦德尔塔_2 = 0.001;dU =介电;dU。Name =“上子”；dU。EpsilonR = epsr_2;dU。LossTangent = tandelta_2;dU。厚度= d2;

创建堆叠补丁模型

使用pcbStack创建堆叠贴片天线模型。从最顶层开始分配图层，在这种情况下，金属层为上层补丁，然后继续到最低层，即接地平面。探头馈电在下部贴片和地平面之间指定。为了提高模型的精度，我们将进给模型转换为近似于正方形的实心柱。默认进给模型是一个带，其中带近似于圆柱体被使用。

p = pcbStack;p.Name =“堆叠的补丁- Waterhouse”；p.BoardShape = pGnd;p.BoardThickness = d1+d2;p.Layers = {pU,dU,pL,dL,pGnd};p.FeedLocations = [xp 0 3 5];p.进给直径= 2*r_0;p.FeedViaModel =“广场”；图显示(p)

图中包含一个轴对象。带有标题pcbStack天线元素的axes对象包含11个类型为patch、surface的对象。这些对象表示PEC，馈电，下子，上子。

阻抗分析

分析6 ~ 9 GHz频段的堆叠贴片阻抗。在这个范围内的叠片结构应该显示出两个紧密间隔的平行共振。在分析之前，对结构进行网格划分

fmax = 9*GHz;fmin = 6*GHz;deltaf = 0.125*GHz;Freq = fmin:delta:fmax;网格(p, MaxEdgeLength = 0.01, MinEdgeLength = 0.003)

图阻抗(p,频率)

图中包含一个轴对象。标题为Impedance的axis对象包含2个类型为line的对象。这些物品代表抵抗、抵抗。

堆叠贴片网

在频率范围6 - 9 GHz的阻抗分析，结果在最高频率自动网格生成。网格由三角形和四面体组成，三角形使天线的所有金属表面离散化，四面体使电介质衬底的体积离散化。绘制金属表面和电介质表面的网格。

图网(p =“金属”）

图网(p =介质表面的）

请注意，在这个贴片天线中使用了具有近似圆柱馈电的方形侧壁的圆柱馈电模型。用金属网来近距离观察这个进给结构。

反射系数

由于天线是由同轴探针激发的，计算输入端相对于50欧姆参考阻抗的反射系数。

Zref = 50*欧姆;s =参数(p，频率，Zref);图rfplot(s,1,1) title(“S_1_1”)包含(的频率(赫兹)) ylabel (“(dB级”）

$图中包含一个轴对象。标题为S indexOf 1基线的axes对象包含一个line类型的对象。该节点表示dB(S_{11})。$

图smplot = smithplot(s);smplot。TitleTop =“输入反射系数”；smplot。LineWidth = 3;

反射系数计算结果与[1]中报道的实验结果吻合得很好。在阻抗行为中存在双共振，对天线的辐射模式行为有影响。

跨波段模式变化

从堆叠补丁的端口分析中观察到的宽阻抗带宽将对远场辐射模式产生影响。为了理解这一点，在反射系数图的2个缺口处绘制天线远场的辐射图- 6.75 GHz和8.25 GHz。

patternfreqs = [6.75*GHz, 8.25*GHz];freqIndx = arrayfun(@(x) find(freq==x)，patternfreqs);图模式(p,频率(freqIndx (1)))

图模式(p,频率(freqIndx (2)))

实现增益跨波段变化

在接近天顶的较高仰角处，这种模式相对稳定。然而，请注意，朝向视界和后叶的辐射似乎在6-9 GHz波段的高频端增长。这些结果说明了介电介质中的损耗，但没有说明可能存在于馈电点的阻抗不匹配。为了了解阻抗失配的影响，计算天顶处的实现增益，并与增益进行比较。

D =零(1，数字(频率));Az = 0;El = 90;为i = 1:元素个数(频率)D (i) =模式(p,频率(我),az, el);结束

情节获得

H =数字;情节(freq. / GHz D“- *”线宽= 2)包含(“频率(GHz)”) ylabel (“(dBi)级”网格)在标题(“增益随频率变化”）

图中包含一个轴对象。标题为Gain Variation with Frequency的axis对象包含一个类型为line的对象。

计算失配系数

Gamma = rfparam(s,1,1);mismatchFactor = 10*log10(1 - abs(gamma).^2);

计算实现增益

Gr = mismatchFactor。' + d;图(h)在情节(freq. / GHz, Gr,r -。)传说(“获得”，意识到获得的位置=“最佳”)标题(增益和已实现增益随频率的变化)举行从

图中包含一个轴对象。标题为“增益变化”和“实现增益随频率变化”的轴对象包含2个类型为line的对象。这些对象表示增益，实现的增益。

总结

[1]中所报道的叠片设计的实验结果与本例中的分析结果吻合较好。此外，天线在靠近天顶处的增益变化具有较好的稳定性，而在靠近地平线和后瓣区域的形状变化较大。在天顶处实现的最大增益是在6 - 9 GHz频段的上低频端实现的，特别是在输入反射系数匹配最好的缺口处。在7 - 9 GHz范围内，观察到实现的增益仅下降约0.6 dB。实现增益在6.5 GHz以下和8.5 GHz以上的减小值是由于阻抗失配造成的。

参考文献

R. B. Waterhouse，“探针馈电堆叠补丁的设计”，《IEEE天线与传播汇刊》，第47卷，no. 1。12，第1780-1784页，1999年12月。

[2] D.Orban和G.J.K.Moernaut，贴片天线基础知识，更新，Orban微波产品。s manbetx 845

c·a·巴拉尼斯，《天线理论》。《分析与设计》，第514页，威利出版社，纽约，2005年第3版

另请参阅

贴片天线阵列