探针馈电叠片天线的建模与分析

打开生活的脚本

这个例子展示了建模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狭窄的阻抗带宽，通常小于5%。堆叠贴片结构是将这些天线的阻抗带宽提高到大于25%[1]的方法之一。堆叠补丁有不同的设计方法，主要是它们的feed的设计方式不同。两种类型的进给机构是探头进给和孔径耦合。这两种机制对天线的阻抗带宽行为以及辐射特性都有影响。

探测馈送的堆叠补丁几何

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。

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

天线的尺寸

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 *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。

聚氨酯=天线。矩形(“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”）

图中包含一个轴对象。轴对象包含3个类型为line的对象。这些物体代表地平面，上补丁，下补丁。

电介质基板本例中堆叠的贴片天线在上下贴片之间以及下贴片与地平面之间有一个介电基板。较低的贴片比较高的贴片具有较高的相对介电常数。这意味着两个补丁之间的电耦合松散。

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;

创建堆叠补丁模型

使用pcbStack建立堆叠贴片天线模型。分配层从最上面的层开始，在这种情况下，金属层为上层补丁，并继续到最低层，即接地平面。探头馈电指定在较低的贴片和接地面之间。为了提高模型的精度，我们将进料模型转换为近似方形的实柱。默认的进给模型是一个近似圆柱体的带钢。

p = pcbStack;p.Name =“堆叠补丁- 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 =“广场”；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6-9 GHz频率范围内的叠片阻抗。在这个范围内堆叠的贴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;频率= 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,频率)

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。

叠片网

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(p,“视图”，“金属”）

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(p,“视图”，介质表面的）

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 = 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中观察到的宽阻抗带宽将对远场辐射模式产生影响。要理解这一点，请在反射系数图(6.75 GHz和8.25 GHz)的两个凹槽处绘制天线远场的辐射图。

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。

图模式(p,频率(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“- *”，“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“增益随频率变化”的轴对象包含一个类型为line的对象。

计算不匹配因素

γ= rfparam (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]中所报道的叠片设计的试验结果与本算例的分析结果吻合得很好。此外，天线在接近天顶处的增益变化表现出良好的稳定性，在近地平和后瓣区域的形状变化更大。在6 - 9 GHz频段的上低频两端，特别是在匹配最好的输入反射系数的凹口处，实现了最大的天顶增益。在7 - 9 GHz范围内，观察到实现的增益仅下降约0.6 dB。在6.5 GHz以下和8.5 GHz以上实现增益的降低是由于阻抗失配造成的。