CN105676002A - 一种微带天线品质因数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带天线品质因数提取方法，所述方法包括如下步骤：获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线；通过所述随频率变化的输入电阻曲线得到最大输入电阻值R_max、以及与所述最大输入电阻值R_max相对应的谐振频率f_r；在所述随频率变化的输入电阻曲线上，得到与输入电阻值0.67R_max相对应的频率f_r1和f_r2，所述频率f_r1、频率f_r2分别位于谐振频率f_r点两侧；根据频率f_r1、f_r2利用公式计算出微带天线的品质因数Q；本发明提取的品质因数的准确度高，能够适用于各种微带天线。

Description

一种微带天线品质因数提取方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域的天线技术，具体为一种微带天线品质因数提取方法。

背景技术

微带天线因具有成本低、体积小、质量轻、低剖面、易集成等优势而被广泛应用于无线通信技术领域。微带天线重要的电气参数之一为品质因数(Q值)，对于工作在一定谐振频率的微带天线，Q值的大小将直接影响天线的阻抗带宽，因此精确的Q值提取方法至关重要。

虽然近年来电磁数值仿真技术迅速崛起，但是微带天线作为一种开放式谐振器，无法利用电磁数值仿真技术直接得到其Q值，必须采用一种Q值提取方法，在微波滤波器的研究中虽然已有许多Q值提取算法，但是这些算法主要应用于高Q值微波谐振器(Q值大于100)。随着无线通信技术的发展，宽带微带天线的需求与日俱增，提高微带天线的阻抗带宽必然要降低天线的Q值，通常，宽带微带天线的Q值远远小于100，所以仍需要研究一种应用于低Q值微带天线的品质因数提取方法，目前已有的微带天线品质因数提取方法准确度不高。

发明内容

本发明针对现有技术中品质因数提取方法的准确度不高和无法应用于低Q值微带天线的问题，而研制一种微带天线品质因数提取方法。

本发明的技术手段如下：

一种微带天线品质因数提取方法，包括如下步骤：

步骤1：获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线；

步骤2：通过所述随频率变化的输入电阻曲线得到最大输入电阻值R_max、以及与所述最大输入电阻值R_max相对应的谐振频率f_r；

步骤3：在所述随频率变化的输入电阻曲线上，得到与输入电阻值0.67R_max相对应的频率f_r1和f_r2，所述频率f_r1、频率f_r2分别位于谐振频率f_r点两侧；

步骤4：根据频率f_r1、f_r2利用公式计算出微带天线的品质因数Q；

进一步地，在得出微带天线的品质因数Q之后，所述微带天线的输入电阻与频率之间的对应关系表示为其中，R(f)表示微带天线的输入电阻、R_max表示微带天线的最大输入电阻值、Q表示微带天线的品质因数、f表示微带天线的频率、f_r表示微带天线的谐振频率；

进一步地，步骤1具体为通过电磁数值仿真技术或实物测试来获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种微带天线品质因数提取方法，提取的品质因数的准确度高，能够适用于各种微带天线包括低Q值微带天线。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图；

图2是本发明所述微带天线的等效示意图；

图3是本发明矩形贴片微带天线的结构示意图；

图4是本发明矩形贴片微带天线的通过计算得到的随频率变化的输入电阻曲线，与通过电磁数值仿真技术或实物测试所得到的随频率变化的输入电阻曲线之间的比较示意图。

图中：11、矩形贴片，12、介质基片，13、接地板。

具体实施方式

如图1所示的一种微带天线品质因数提取方法，包括如下步骤：

步骤1：获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线；

步骤2：通过所述随频率变化的输入电阻曲线得到最大输入电阻值R_max、以及与所述最大输入电阻值R_max相对应的谐振频率f_r；

步骤3：在所述随频率变化的输入电阻曲线上，得到与输入电阻值0.67R_max相对应的频率f_r1和f_r2，所述频率f_r1、频率f_r2分别位于谐振频率f_r点两侧，R(f_r1)＝R(f_r2)＝0.67R_max，f_r1<f_r<f_r2；

步骤4：根据频率f_r1、f_r2利用公式计算出微带天线的品质因数Q；

进一步地，在得出微带天线的品质因数Q之后，所述微带天线的输入电阻与频率之间的对应关系表示为其中，R(f)表示微带天线的输入电阻、R_max表示微带天线的最大输入电阻值、Q表示微带天线的品质因数、f表示微带天线的频率、f_r表示微带天线的谐振频率；进一步地，步骤1具体为通过电磁数值仿真技术或实物测试来获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线。

本发明以微带天线等效的RLC并联谐振电路的输入阻抗公式为基础，进行数学理论推导获得微带天线的品质因数提取公式，下面具体说明的推导过程：

图2示出了本发明所述微带天线的等效示意图，如图2所示，微带天线可以等效为RLC并联谐振电路，进一步地，可以得出微带天线的输入阻抗计算公式为：

$Z\left(f\right)=\frac{\frac{1}{R_{\max }}+j\&lsqb;\frac{Qf}{R_{max}{f}_r}-\frac{{\mathrm{Qf}}_r}{R_{max}f}\&rsqb;}{\frac{1}{R_{max}^2}+\&lsqb;\frac{Qf}{R_{max}{f}_r}-\frac{{\mathrm{Qf}}_r}{R_{max}f}\&rsqb;}---\left(1\right)$

式(1)中Z(f)表示微带天线的输入阻抗、R_max表示微带天线的最大输入电阻值、Q表示微带天线的品质因数、f表示微带天线的频率、f_r表示微带天线的谐振频率；

由式(1)可以得出微带天线的输入阻抗幅度与最大输入电阻值之间的关系式、以及微带天线的输入电阻与最大输入电阻值之间的关系式为：

$\left|Z\left(f\right)\right|=\frac{R_{max}}{\sqrt{1+Q^2{(\frac{f}{f_r}-\frac{f_r}{f})}^2}}---\left(2\right)$

$R\left(f\right)=\frac{R_{max}}{1+Q^2{(\frac{f}{f_r}-\frac{f_r}{f})}^2}---\left(3\right)$

另外，微带天线的输入阻抗是一个包含实部和虚部的复数，具体地，

Z(f)＝R(f)+jX(f)(4)

式(4)中R(f)表示微带天线的输入电阻、X(f)表示微带天线的输入电抗；

微带天线的输入电压反射系数的模为：

$\left|\frac{Z\left(f\right)-Z_0}{Z\left(f\right)+Z_0}\right|=\frac{VSWR-1}{VSWR+1}---\left(5\right)$

式(5)中Z₀表示输入传输线的特征阻抗、VSWR表示天线的输入电压驻波比，按照输入电压驻波比VSWR(VoltageStandingWaveRatio)＝2且输入传输线的特征阻抗Z₀＝R_max来计算，则有

$\left|\frac{R\left(f\right)-R_{max}+jX\left(f\right)}{R\left(f\right)+R_{max}+jX\left(f\right)}\right|=\frac{1}{3}---\left(6\right)$

由式(6)进一步得到：

$R^2\left(f\right)+R_{max}^2+X^2\left(f\right)=2.5R\left(f\right)R_{max}---\left(7\right)$ ${\left|Z\left(f\right)\right|}^2=2.5R\left(f\right)R_{max}-R_{\max }^2---\left(8\right)$

进一步地，设定微带天线的输入阻抗幅度与最大输入电阻之间的关系为：

|Z(f)|＝mR_max(9)

设定微带天线的输入电阻与最大输入电阻之间的关系为：

R(f)＝nR_max(10)

式(9)、(10)中，m、n均为与VSWR＝2的微带天线频率f相对应的待定系数，将式(9)、(10)结合式(2)、(3)、(8)可获得关于系数m、n的二元方程：

$\left\{\begin{array}{c}n=m^2\\ m^2=2.5n-1\end{array}\right.---\left(11\right)$

由式(11)得出m＝0.818、n＝0.67，进而VSWR＝2的输入电阻与最大输入电阻之间的关系为：

R(f_r1)＝R(f_r2)＝0.67R_max(12)

式(12)中，f_r1和f_r2是输入电阻为0.67R_max处的频率值，结合式(3)、(12)可得：

$\frac{R_{max}}{1+Q^2{(\frac{f_{r1}}{f_r}-\frac{f_r}{f_{r1}})}^2}=0.67R_{max}---\left(13\right)$

进一步地， $Q^2{(\frac{f_{r1}}{f_r}-\frac{f_r}{f_{r1}})}^2=0.492537---\left(14\right)$

进一步地， $Q=\frac{0.70181}{\left|\frac{f_{r1}}{f_r}-\frac{f_r}{f_{r1}}\right|}---\left(15\right)$

另外， $f_r=\sqrt{f_{r1}{f}_{r2}}---\left(16\right)$

将式(16)代入到式(15)可获得提取微带天线品质因数的公式：

$Q=\frac{0.70181}{\left|\sqrt{\frac{f_{r1}}{f_{r2}}}-\sqrt{\frac{f_{r2}}{f_{r1}}}\right|}---\left(17\right)$

下面以矩形贴片微带天线作为实施例来进一步说明本发明的实施步骤，图3示出了矩形贴片微带天线的结构示意图，如图3所示，所述矩形贴片微带天线包括介质基片12、置于介质基片12背面的接地板13、置于介质基片12正面的矩形贴片11；所述矩形贴片11贴附于所述介质基片12上，具有长度为L、宽度为W的矩形体结构；所述介质基片12的相对介电常数为ε_r；矩形贴片11与接地板13之间的距离为h，具体地，选定L＝130mm、W＝65mm、ε_r＝2.55、h＝15mm。那么，针对该实施例的矩形贴片微带天线，提取其品质因数的具体过程如下：

获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线；

通过所述随频率变化的输入电阻曲线得到最大输入电阻值R_max为728.3Ω、以及与所述最大输入电阻值R_max相对应的谐振频率f_r为677.3MHz；

在所述随频率变化的输入电阻曲线上，得到与输入电阻值0.67R_max即488.0Ω相对应的频率f_r1和f_r2，所述频率f_r1、频率f_r2分别位于谐振频率f_r即677.3MHz点两侧，具体地，f_r1＝669.5MHz，f_r2＝685.2MHz；

根据频率f_r1、f_r2计算出微带天线的品质因数

对上述品质因数提取方法的准确程度进行验证，将谐振频率值f_r、最大输入电阻值R_max和提取得到的品质因数值Q的具体数值代入到微带天线的输入电阻与频率之间的对应关系式中，得到随频率变化的输入电阻曲线将该曲线与步骤1中通过电磁数值仿真技术或实物测试所获得的随频率变化的输入电阻曲线进行比较，如图4所示，由公式得到的随频率变化的输入电阻曲线，与通过电磁数值仿真技术或实物测试得到的随频率变化的输入电阻曲线十分吻合，说明本发明微带天线品质因数提取方法非常准确，图4中的计算值表示由公式得到的随频率变化的输入电阻曲线，图4中的真实值表示通过电磁数值仿真技术或实物测试得到的随频率变化的输入电阻曲线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微带天线品质因数提取方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤1：获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线；

步骤2：通过所述随频率变化的输入电阻曲线得到最大输入电阻值R_max、以及与所述最大输入电阻值R_max相对应的谐振频率f_r；

步骤3：在所述随频率变化的输入电阻曲线上，得到与输入电阻值0.67R_max相对应的频率f_r1和f_r2，所述频率f_r1、频率f_r2分别位于谐振频率f_r点两侧；

步骤4：根据频率f_r1、f_r2利用公式计算出微带天线的品质因数Q。

2.根据权利要求1所述的微带天线品质因数提取方法，其特征在于在得出微带天线的品质因数Q之后，所述微带天线的输入电阻与频率之间的对应关系表示为其中，R(f)表示微带天线的输入电阻、R_max表示微带天线的最大输入电阻值、Q表示微带天线的品质因数、f表示微带天线的频率、f_r表示微带天线的谐振频率。

3.根据权利要求1所述的微带天线品质因数提取方法，其特征在于步骤1具体为通过电磁数值仿真技术或实物测试来获得所述微带天线随频率变化的输入电阻曲线。