Probe-Fed堆叠贴片天线的建模和分析

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这个例子展示了模型和分析的步骤probe-fed堆叠贴片天线。标准的矩形微带贴片天线有一个狭窄的阻抗带宽通常小于5%。叠片配置的方法之一是增加这些天线的阻抗带宽大于25% [1]。有不同的方法设计叠补丁,主要是不同的方式满足设计[2]。这两种类型的喂养probe-feed和孔径耦合机制。这两种机制有一个角色的阻抗带宽的行为以及天线的辐射特性。

Probe-Fed叠片几何

的叠片由两个补丁略有不同大小的定位在沿z轴和分离介质材料。补丁都是相对于groundplane集中。之间的差距降低补丁和groundplane也充满了一种电介质材料。顶部或底部补丁驱动与同轴探针用于单个提要配置。几何的一个计划视图所示的草图。

定义单位

定义标准单位距离、频率和电阻以及他们对于这个例子乘法等价物。

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

天线的尺寸

[1]中提供的天线尺寸与两个衬底层probe-fed矩形叠补丁。变量名称是相同的那些[1]中提到禁止groundplane。对于这个示例,选择一个正方形groundplane大小的块顶部的长度的三倍。两个补丁的尺寸选择最大化的阻抗带宽和指南[1]等设计提供了补丁天线和敏感性分析。几何建模,上面的补丁是比。

L1 = 13.5 *毫米;W1 = 12.5 *毫米;L2 = 15 *毫米;W2 = 16 *毫米;d1 = 1.524 *毫米;d2 = 2.5 *毫米;xp = 5.4 *毫米;r_0 = 0.325 *毫米;Lgnd = 3 * L2;Wgnd = 3 * L2;

创建图层形状和基质

层:使用矩形从目录中创建所需的三个金属层堆叠补丁,即为上面的补丁,补丁和groundplane越低。所有的层都集中坐标轴的原点。情节层边界确认他们的大小和位置。

聚氨酯= antenna.Rectangle(长度= L2,宽度= W2);pL = antenna.Rectangle(长度= L1,宽度= W1);pGnd = antenna.Rectangle(长度= Lgnd宽度= Wgnd);图绘制(pGnd)在情节(pU)情节(pL)网格在传奇(“Groundplane”,“上补丁”,“降低补丁”位置=“最佳”)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象包含3线类型的对象。这些对象代表Groundplane,上,下。

电介质基板:堆叠贴片天线在这个例子中有一个介质衬底之间的上、下补丁以及较低的补丁和groundplane之间。较低的补丁的相对介电常数高于上补丁。这意味着一个松散的电耦合两个补丁。

epsr_1 = 2.2;tandelta_1 = 0.001;dL =介质;dL。Name =“低子”;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;

创建叠片模型

通过使用pcbStack创建多层贴片天线模型。分配层从最顶层,在这种情况下的金属层上的补丁和继续groundplane的最低层。低之间的指定probe-feed补丁和地平面。为了提高模型的准确性,我们切换提要模型固体列近似正方形的形状。默认饲料模型是一个带在加沙地带使用近似一个圆柱体。

p = pcbStack;p。Name =“叠补丁——沃特豪斯”;p。BoardShape = pGnd;p。BoardThickness = d1和d2;p。层= {pU、杜、pL、dL、pGnd};p。FeedLocations = (xp 0 3 5);p。FeedDiameter = 2*r_0; p.FeedViaModel =“广场”;图显示(p)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题pcbStack天线元素,包含x(毫米),ylabel y (mm)包含11对象类型的补丁,表面。这些对象代表压电陶瓷,饲料,降低接头,上下标。

阻抗分析

分析了叠片阻抗频率范围6 - 9 GHz。叠片结构在这个范围应该显示两密集平行的共鸣。在分析之前,网状结构

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

图包含一个坐标轴对象和一个类型的对象uicontrol。坐标轴对象标题金属电介质,包含x (m), ylabel y (m)包含3446个对象类型的补丁,表面。这些对象代表压电陶瓷,饲料,降低接头,上下标。

图阻抗(p,频率)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象标题阻抗,包含频率(GHz), ylabel阻抗(欧姆)包含2线类型的对象。这些对象代表电阻、电抗。

叠片网

阻抗分析频率范围6 - 9 GHz,结果在自动网格生成的最高频率。离散化的网格由三角形、天线和四面体的所有金属表面,这使离散介质基板的体积。情节的网状金属表面和介质表面。

图网(p =“金属”)

图包含一个坐标轴对象和一个类型的对象uicontrol。坐标轴对象标题金属电介质,包含x (m), ylabel y (m)包含2块类型的对象,表面。这些对象代表压电陶瓷,饲料。

图网(p =介质表面的)

图包含一个坐标轴对象和一个类型的对象uicontrol。坐标轴对象标题介质表面,包含x (m), ylabel y (m)包含了3444个补丁类型的对象。这些对象代表低子,上下标。

注意列饲料模型与广场的一面墙壁近似圆柱形饲料中使用这个补丁天线。使用金属网获取该提要结构的仔细查看。

反射系数

由于天线通过同轴探针兴奋,计算反射系数输入相对于参考50欧姆阻抗。

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”)

$图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题年代indexOf 1基线S_1_1,包含频率(赫兹),ylabel级(dB包含一个类型的对象。该对象代表dB (S_ {11})。$

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

反射系数匹配的结果与实验结果很好地报道[1]。双共振的阻抗行为的存在,影响了天线的辐射方向图的行为。

模式的变化在乐队

宽的阻抗带宽从端口的分析观察叠补丁会对远场辐射方向图的影响。要理解这一点,画出在这个天线的远场辐射方向图2级的反射系数图- 6.75 GHz和8.25 GHz。

patternfreqs = (6.75 GHz, 8.25 * GHz);freqIndx = arrayfun (@ (x)找到(频率= = x), patternfreqs);图模式(p,频率(freqIndx (1)))

图包含一个坐标轴对象和其他对象类型的uicontrol。坐标轴对象包含11块类型的对象,表面。这些对象代表低子,上下标。

图模式(p,频率(freqIndx (2)))

图包含一个坐标轴对象和其他对象类型的uicontrol。坐标轴对象包含11块类型的对象,表面。这些对象代表低子,上下标。

实现跨带增益变化

模式是相对稳定的高海拔的角度接近天顶。然而,请注意,辐射向地平线和backlobe似乎以更高频率的增长6 - 9 GHz乐队。这些结果占的介电损失但不是在馈电点可能存在的阻抗不匹配。要理解阻抗失配的影响,计算实现增益在天顶和比较它与增益。

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“- *”线宽= 2)包含(“频率(GHz)”)ylabel (“(dBi)级”网格)在标题(增益与频率变化的)

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题增益与频率变化,包含频率(GHz), ylabel级(dBi)包含一个类型的对象。

计算不匹配因素

γ= rfparam (1, 1);mismatchFactor = 10 * log10 (1 - abs(γ)。^ 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,实现增益与频率的变化)举行从

图包含一个坐标轴对象。坐标轴对象与标题增益,实现增益的变化频率,包含频率(GHz), ylabel级(dBi)包含2线类型的对象。这些对象代表增益,实现收益。

总结

叠片设计的实验结果报道[1]这个示例中所示的分析结果吻合较好。另外天线表现出良好的稳定性较高的增益变化接近天顶形状接近地平线的变化和backlobe地区。最大实现增益在天顶实现上下6—9个GHz频率的乐队,尤其是在输入反射系数的级距,比赛是最好的。在7 - 9 GHz范围内观察到意识到增益只下降了0.6 dB。实现增益的降低值低于6.5 GHz以上8.5 GHz是由于阻抗失配。

引用

[1]r·b·沃特豪斯“设计probe-fed叠补丁”,在IEEE天线和传播,47卷,没有。1999年12月12日,页。1780 - 1784年。

[2]D。欧尔班和G.J.K.Moernaut贴片天线的基础知识,更新,Orban微波产品。下载188bet金宝搏

”[3]c . a . Balanis天线理论。分析和设计,“p。514年,威利,纽约,第3版,2005年版

另请参阅

FMCW贴片天线阵