探针馈电叠片天线的建模与分析

打开生活的脚本

此示例显示了模拟和分析探针堆叠贴片天线的步骤。标准矩形微带贴片天线的窄阻抗带宽通常小于5％。堆叠的补丁配置是增加这些天线的阻抗带宽大于25％[1]的方式之一。有不同的方式设计堆叠贴片，主要是在其饲料设计的方式下不同的方式[2]。两种类型的进料机构是探针馈送和孔径耦合。这两个机制在阻抗带宽行为中具有作用以及天线的辐射特性。

探针送入堆叠贴片几何形状

堆叠的贴片由两个大小略有不同的贴片组成，它们沿着z轴相互重叠，并由介质材料隔开。两个斑块的中心相对于地平面。下方贴片与接地面之间的空隙也用介电材料填充。当使用单一馈电配置时，顶部或底部贴片由同轴探头驱动。这里的草图显示了几何图形的平面视图。

定义单位

定义距离、频率和电阻的标准单位，以及在本例中它们的等价乘法。

仪表= 1;赫兹= 1;欧姆= 1;mm = 1e-3 *仪表;GHz = 1E9 *赫兹;

天线尺寸

天线尺寸在[1]中提供，用于具有两个基板层的探头馈电矩形堆叠贴片。变量名与[1]中提到的变量名相同，除了地平面的变量名。对于这个例子，一个正方形的地平面被选择，其大小是顶部补丁长度的三倍。选择两个贴片的尺寸以最大限度地提高阻抗带宽，[1]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，上面的补丁比下面的稍微大一些。

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;

创建图层形状和基质

层数使用目录中的矩形创建堆叠补丁所需的三个金属层，即上补丁、下补丁和接地平面。所有的层都以坐标轴原点为中心。绘制图层边界以确定其大小和位置。

pu = antenna.rectangle（“长度”L2,“宽度”W2);pL =天线。矩形(“长度”L1,“宽度”W1);pGnd =天线。矩形(“长度”，lgnd，“宽度”，WGND）;图情节（PGND）保持在绘图（PU）绘图（PL）网格在传奇('地平面'那“上补丁”那'较低的补丁'那“位置”那“最佳”的）

图中包含一个轴对象。轴对象包含3个类型线的对象。这些对象代表了地图，上贴片，较低的补丁。

介电基板该示例中的堆叠贴片天线在上贴片和下贴片之间以及下贴片和地面之间具有介电基板。下贴片的相对介电常数高于上贴剂。这意味着两个贴片之间的宽松电耦合。

epsr_1 = 2.2;tandelta_1 = 0.001;dL =介质;dL。Name ='下次'；dL。EpsilonR = epsr_1;dL。LossTangent = tandelta_1;dL。厚度= d1;

epsr_2 = 1.07;tandelta_2 = 0.001;dU =介质;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创建堆叠的贴片天线模型。将从顶部层开始的图层分配，在这种情况下，上贴片的金属层并前进到作为研磨层的最低层。探针馈送在下贴片和接地平面之间。为了提高模型的准确性，我们将馈电模型切换为近似到方形的固体柱。默认进料模型是一种条带，其中使用与圆筒的条带近似。

p = pcbStack;p.Name ='堆积补丁 -  waterhouse'；p.BoardShape = pGnd;p.BoardThickness = d1和d2;p.Layers = {pU、杜、pL、dL、pGnd};p.FeedLocations = [xp 0 3 5];p.FeedDiameter = 2 * r_0;p.FeedViaModel ='正方形'；图显示(p)

图中包含一个轴对象。标题为pcbStack天线元素的轴对象包含11个类型为patch、surface的对象。这些对象代表PEC, feed, Lower sub, Upper sub。

阻抗分析

分析频率范围6-9 GHz的堆叠贴片阻抗。该范围内的堆叠贴片结构应显示两个紧密间隔的并联共振。在分析之前，筛网结构

Fmax = 9 * GHz;fmin = 6 * ghz;Deltaf = 0.125 * GHz;freq = fmin：deltaf：fmax;网格（P，'maxedgelength'幅,“MinEdgeLength”.003)

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。标题为“介质体积”的轴对象包含3434个类型为patch、surface的对象。

图阻抗（p，freq）

图中包含一个轴对象。标题为“阻抗”的轴对象包含两个类型为line的对象。这些物体代表抵抗，抵抗。

堆积贴片网

在频率范围6 - 9 GHz的阻抗分析，结果在最高频率自动生成网格。网格由三角形和四面体组成，三角形离散了天线的所有金属表面，四面体离散了介质基板的体积。绘制金属表面和电介质表面的网格。

图网格（p，“视图”那'金属'的）

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。标题为Metal mesh的轴对象包含2个类型为patch, surface的对象。

图网格（p，“视图”那'介电表面'的）

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。标题为“介质表面”的轴对象包含一个类型为patch的对象。

注意，在贴片天线中使用了柱馈模型，其方形侧壁近似圆柱形馈源。使用金属网来获得这个饲料结构的近距离视图。

反射系数

由于天线被同轴探针激发，因此在相对于50欧姆参考阻抗的输入中计算反射系数。

Zref = 50 *欧姆;s = sparameters (p,频率,Zref);图rfplot(1, 1)标题('s_1_1')包含(的频率(赫兹)) ylabel (“(dB级”的）

$图中包含一个轴对象。标题为S indexOf 1 baseline的轴对象包含一个类型为line的对象。该对象表示dB(S_{11})。$

图smplot = smithplot(s);smplot。TitleTop =输入反射系数的；smplot。线宽= 3;

反射系数的计算结果与[1]中报道的实验结果吻合得很好。双共振在阻抗行为中的存在，对天线的辐射方向图行为有影响。

跨波段模式变化

从堆叠贴片的端口分析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，在反射系数图中的2个凹口中绘制该天线的远场中的辐射模式 - 6.75GHz和8.25GHz。

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

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。axis对象包含11个类型为patch, surface的对象。这些对象代表Lower sub, Upper sub。

图案模式（p，freq（freqindx（2））））

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。axis对象包含11个类型为patch, surface的对象。这些对象代表Lower sub, Upper sub。

实现了跨频带增益变化

在接近天顶的高度角较高时，图案相对稳定。然而，请注意，朝向视界和后瓣的辐射似乎在6-9 GHz频段的更高频率端增长。这些结果解释了电介质中的损耗，但没有解释馈电点可能存在的阻抗不匹配。为了理解阻抗失配的影响，计算在顶点实现的增益并与增益进行比较。

D = 0(1,元素个数(频率));阿兹= 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 =图;情节(freq. / GHz D“- *”那“线宽”，2）xlabel（'频率（GHz）') ylabel (“(dBi)级”网格)在标题(“增益随频率变化”的）

图中包含一个轴对象。标题为“增益随频率变化”的轴对象包含一个类型为line的对象。

计算不匹配因子

伽马= rfparam（s，1,1）;mismatchfactor = 10 * log10（1  -  abs（伽玛）。^ 2）;

计算实现增益

gr = mismatchfactor。'+ D;图（h）持有在绘图（Freq./ghz，r -。)传说('获得'那意识到获得的那“位置”那“最佳”)标题(增益和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“随频率实现的增益”的轴对象包含两个类型为line的对象。这些对象表示增益，已实现增益。

总结

[1]中报告的堆叠贴片设计的实验结果与本例中所示的分析结果很好。此外，天线在靠近天顶的增益变化中表现出良好的稳定性，具有较高的地平线和背板区域附近的形状更高的变化。Zenith的最大实现增益在6 - 9 GHz带的下频端和上频端实现，尤其是在匹配是最佳的输入反射系数中的凹口处。在7 - 9 GHz范围内，观察到，实现的收益仅脱落约0.6 dB。降低的实现增益低于6.5 GHz和8.5 GHz的值是由于阻抗不匹配。