蓝牙低能耗应用的双馈方形微带贴片天线设计

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这个例子展示了如何使用pcbComponent和pcbcascadeRF PCB Toolbox™的功能，用于设计和分析用于低功耗蓝牙(BLE)应用的双馈方形微带贴片天线。

你可以使用不同的馈电安排来实现圆偏振和椭圆偏振，或者使用两种正交模式，它们之间的相位差为90度。两种正交模式可以通过调整贴片的物理尺寸和使用单个或多个馈源来实现。对于正方形贴片单元，最简单的激发圆偏振的方法是在相邻的两个边缘馈电单元，以激发如图所示的两个正交模式。对于一个正交相位差，馈电元件与90度功率分压器或90度混合如下图所示。

创建变量

Centerfreq = 2.4 e9;频率= linspace (2 e9 3 e9, 41岁);

分支线耦合器的设计

使用设计功能上的couplerBranchline对象创建所需频率的分支线耦合器并将其可视化。支线耦合器的默认衬底是聚四氟乙烯。

耦合器=设计(couplerBranchline Centerfreq);图;显示(耦合器);

图中包含一个轴对象。标题couplerBranchline元素的轴对象包含8个类型为patch, surface的对象。这些物体代表PEC, feed, Teflon。

为正方形补丁和连接馈线创建变量

的patchLength变量创建一个正方形补丁。的feedLineWidth和feedLineLength变量创建天线的馈线。的portSpacing匹配馈线与分支线耦合器输出端口之间的间隙。的patchLength和feedLineLength为在设计频率接近半波长。

patchLength = 41.9 e - 3;feedLineLength = 65.7 e - 3;feedLineWidth = 3 e - 3;portSpacing = coupler.ShuntArmLength / 2 + coupler.PortLineWidth / 2;

使用traceRectangular对象创建一个边长为的正方形补丁patchLength．使用rotateZ函数将形状旋转45度并使其可视化。

补丁= traceRectangular (“长度”patchLength,“宽度”, patchLength);补丁= rotateZ(补丁,45岁);图;显示(补丁);

图中包含一个轴对象。axis对象包含2个patch类型的对象。这个对象表示PEC。

使用traceRectangular对象创建在x轴两侧具有相同长度、宽度和间距的两条馈线。对形状执行布尔添加操作补丁，feedline1和feedline2和可视化。

feedLine1 = traceRectangular (“长度”feedLineLength,“宽度”feedLineWidth,“中心”[-feedLineLength / 2, portSpacing]);feedLine2 = traceRectangular (“长度”feedLineLength,“宽度”feedLineWidth,“中心”[-feedLineLength / 2, -portSpacing]);antShape = patch+ feedLine1+ feedLine2;图;显示(antShape);

图中包含一个轴对象。axis对象包含2个patch类型的对象。这个对象表示PEC。

沿着x轴平移形状，使进料线在x = 0处对齐。

翻译(antShape [feedLineLength 0 0]);

图中包含一个轴对象。axis对象包含2个patch类型的对象。这个对象表示PEC。

定义基片参数并创建电介质对象。创建一个接地面使用天线。矩形对象和使用pcbStack来创建PCB天线。将电介质和接地面分配给层属性pcbStack．分配FeedLocations到进料线的边缘，并设置BoardThickness来高度在pcbStack上显示天线。

EpsilonR = coupler.Substrate.EpsilonR;%介电EpsilonR身高= coupler.Height;%衬底高度LossTangent = coupler.Substrate.LossTangent;子态的损失正切百分比d1 =介质(“名字”，{“特氟隆”}，“EpsilonR”EpsilonR,“LossTangent”LossTangent,“厚度”、高度);接地=天线。矩形(“长度”120 e - 3,“宽度”80 e - 3,“中心”120年,[e-3/2 0]);蚂蚁= pcbStack;蚂蚁。层= {antShape d1,能够间接};蚂蚁。BoardShape =接地;蚂蚁。FeedLocations = [0 portSpacing 1 3;0，-portSpacing 1 3];蚂蚁。BoardThickness =身高; figure; show(ant);

图中包含一个轴对象。标题为pcbStack天线元素的轴对象包含7个类型为patch、surface的对象。这些物体代表PEC, feed, Teflon。

使用阻抗函数绘制天线从2.2 GHz到2.6 GHz的阻抗

图;阻抗(ant linspace (2.2 e9 2.6 e9, 31));

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。标题为有源阻抗的轴对象包含2个类型为line的对象。这些物体代表电阻元件1，电抗元件1。

结果表明，该贴片在2.4 GHz时的阻抗约为400欧姆。为了将贴片的阻抗与50欧姆线匹配，在馈线的末端连接1 / 4波长变压器，将阻抗转换为50欧姆。四分之一波变压器的阻抗是要匹配的阻抗的几何平均值。因此，50欧姆和400欧姆的几何平均值是141欧姆。

使用microstripLine设计以计算Z0为141欧姆的线的宽度。

行= microstripLine;线。身高= coupler.Height;行=设计(Centerfreq,“LineLength”, 0.25,“Z0”, 141);

使用traceRectangular对象创建两个在x轴两侧具有相同长度、宽度和间距的四分之一波变压器线。对形状执行布尔添加操作补丁，Line1和么和可视化。

Line1 = traceRectangular (“长度”、线。长度,“宽度”、线。宽度,“中心”[line.Length / 2, portSpacing]);么= traceRectangular (“长度”、线。长度,“宽度”、线。宽度,“中心”[line.Length / 2, -portSpacing]);翻译(antShape [line.Length 0 0]);

图中包含一个轴对象。axis对象包含2个patch类型的对象。这个对象表示PEC。

antShape = antShape + Line1+ Line2;显示(antShape);

图中包含一个轴对象。axis对象包含2个patch类型的对象。这个对象表示PEC。

定义基板参数并创建用于天线的PCB堆栈的电介质。创建一个接地面使用天线。矩形形状。

使用pcbStack创建一个PCB天线，并将电介质和接地面分配给层属性pcbStack．分配FeedLocations到进料线的边缘，并设置BoardThickness来高度在pcbStack并想象天线。下面的代码执行这些操作并创建PCB天线。

EpsilonR = coupler.Substrate.EpsilonR;%介电EpsilonR身高= coupler.Height;%底子的高度LossTangent = coupler.Substrate.LossTangent;子态的损失正切百分比d1 =介质(“名字”，{“特氟隆”}，“EpsilonR”EpsilonR,“LossTangent”LossTangent,“厚度”、高度);接地=天线。矩形(“长度”120 e - 3,“宽度”80 e - 3,“中心”120年,[e-3/2 0]);蚂蚁= pcbStack;蚂蚁。层= {antShape d1,能够间接};蚂蚁。BoardShape =接地;蚂蚁。FeedLocations = [0 portSpacing 1 3;0，-portSpacing 1 3];蚂蚁。BoardThickness =身高; figure,show(ant);

图中包含一个轴对象。标题为pcbStack天线元素的轴对象包含7个类型为patch、surface的对象。这些物体代表PEC, feed, Teflon。

使用pcbcascade对象连接耦合器和贴片天线。为了获得圆极化，将分支线耦合器上的隔离端口连接到匹配的50欧姆负载。隔离端口馈电位置在FeedLocations属性复制到ViaLocations。隔离端口上的馈电位置被删除。的lumpedElement对象用于创建50欧姆的阻抗，集总元件的位置在ViaLocations．分配这lumpedElement到负载财产的pcbStack并想象天线。下面的代码执行这些操作。

pcbAntenna = pcbcascade(耦合器,ant);pcbAntenna。ViaLocations = pcbAntenna.FeedLocations (2);pcbAntenna。ViaDiameter = pcbAntenna.FeedDiameter;: pcbAntenna.FeedLocations (2) = [];r = lumpedElement;r.Impedance = 50;r.Location = [pcbAntenna.ViaLocations (1:2), pcbAntenna.BoardThickness);pcbAntenna。负荷= r; figure; show(pcbAntenna);

图中包含一个轴对象。标题为pcbStack天线元素的轴对象包含7个类型为patch、surface的对象。这些对象代表PEC, feed, Teflon, load。

使用sparameters函数来计算天线的s参数，并利用rfplot函数。

晶石= sparameters (pcbAntenna、频率);图;rfplot(石膏);

$图中包含一个轴对象。axis对象包含一个类型为line的对象。该对象表示dB(S_{11})。$

结果表明，天线在2 ~ 3 GHz范围内具有良好的匹配性能。

利用模式函数绘制天线的三维辐射模式。

图;模式(pcbAntenna Centerfreq);

图中包含一个轴对象和其他uicontrol类型的对象。axis对象包含6个类型为patch, surface的对象。这个对象代表特氟隆。

该天线在设计频率下的增益约为7 dBi。

使用axialRatio函数绘制天线在2.45 GHz时的轴向比。使用轴向比来确定天线的极化。对于圆偏振，轴向比必须小于3 dB。

图;axialRatio (pcbAntenna Centerfreq 90, 0:5:180);标题('方位角轴比= 90面')；

图中包含一个轴对象。标题为轴比为方位角= 90 Plane的轴对象包含一个类型为line的对象。

结果表明，所有仰角的轴向比均小于3 dB，因此天线呈现圆极化。在方位角为0°的正交平面上，在俯仰角为60 ~ 90°之间获得圆偏振。

使用axialRatio函数绘制天线的轴向比与频率的关系。

图;axialRatio (pcbAntenna频率0,90);标题(“轴比与频率”)；

图中包含一个轴对象。标题为轴比与频率的轴对象包含一个类型为line的对象。

轴向频率比表明，天线在2.4 GHz左右呈圆极化。

参考文献

[1] Balanis, c.a“天线理论。分析与设计”，第860页，Wiley，纽约，第3版，2005。

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