CN106777645A - 矩形贴片微带天线谐振电阻计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形贴片微带天线谐振电阻的计算方法及系统，其包括：确定矩形贴片的物理尺寸及介质基板参数；计算考虑矩形贴片边缘场效应后的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW；计算谐振频率f₀、品质因数Q_t；基于电磁数值仿真技术进行仿真分析，以获取谐振电阻；基于公式拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻；判断由公式计算所得的谐振电阻与仿真所得的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，若是，则确定出相应的谐振电阻。本发明提高了计算准确度，提高了天线的匹配效率，缩短了天线的设计周期，其所适用的矩形贴片微带天线的介电常数和电厚度范围较宽；且其可有效的判断在任意位置馈电的矩形贴片微带天线的谐振电阻。

Description

矩形贴片微带天线谐振电阻计算方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电通信领域的天线技术，具体为一种矩形贴片微带天线谐振电阻的计算方法及系统。

背景技术

对于无线电通信系统，天线必不可少，而微带天线以其体积小、重量轻、剖面低、易集成和低成本等优点受到人们的青睐。谐振电阻作为微带天线的重要参数之一。若谐振电阻分析不准确，则会影响天线的匹配，进而影响到天线的其他性能参数及相关射频电路的性能。因此，只有准确知道微带天线的谐振电阻，才能对天线进行有效的设计。目前已有的矩形贴片微带天线谐振电阻的计算方法不够准确，并且适用的介电常数和电厚度范围较窄。所以，研究一种矩形贴片微带天线谐振电阻的计算方法很有必要。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种矩形贴片微带天线谐振电阻计算方法，该方法克服现有技术中计算矩形贴片微带天线谐振电阻准确度不高的问题，并提供一种准确度更高的矩形贴片微带天线谐振电阻的计算方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种矩形贴片微带天线谐振电阻计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、确定所要计算的矩形贴片微带天线的物理尺寸及介质基片参数，所述的物理尺寸包括矩形贴片微带天线的长度L、宽度W以及矩形贴片微带天线馈电点到矩形贴片微带天线中心的距离x₀，所述的介质基片参数包括介质基片的介电常数ε_r、厚度h以及矩形贴片微带天线的有效介电常数ε_e；

(2)、计算该矩形贴片微带天线边缘场效应引起的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW，其中，ΔL以公式(1)计算，ΔW以公式(2)计算：

(3)、计算该矩形贴片微带天线的所对应的谐振频率f₀和品质因数Q_t；

(4)、利用电磁数值仿真技术，对所述矩形贴片微带天线进行仿真分析，以获得对应的谐振电阻；

(5)、利用步骤(1)-步骤(3)所获取的数据拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻R_max，其中，矩形贴片微带天线谐振电阻R_max的计算公式为：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆为待定系数。

(6)、比较判断通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻与采用电磁数值仿真技术得到的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，是则确定通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻为最终的矩形贴片微带天线谐振电阻。

进一步地，作为本发明的优选方案

所述谐振电阻计算公式(3)中的待定系数的具体值通过全局优化算法获得。

进一步地，作为本发明的优选方案

所述谐振电阻计算公式(3)中的待定系数分别为：

β₁＝425.3253，β₂＝2.0871，β₃＝5.3382，β₄＝96.0506，β₅＝0.7232和β₆＝-2.3528。

进一步地，作为本发明的优选方案

所述仿真分析选定的矩形贴片微带天线的物理尺寸的取值范围为5mm≤L≤150mm，L/2≤W≤L，介质基片的介电常数取值范围为1.05≤ε_r≤4.5，厚度的取值范围为0.3mm≤h≤70mm。

本发明的另一目的是要提供一种矩形贴片微带天线谐振电阻计算系统，其特征在于，包括：

参数确定模块，其用于确定所要计算的矩形贴片微带天线的物理尺寸及介质基片参数，所述的物理尺寸包括矩形贴片微带天线的长度L、宽度W以及矩形贴片微带天线馈电点到矩形贴片微带天线中心的距离x₀，所述的介质基片参数包括介质基片的介电常数ε_r、厚度h以及矩形贴片微带天线的有效介电常数ε_e；

第一计算模块，其用于计算矩形贴片微带天线边缘场效应引起的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW，其中，ΔL以公式(1)计算，ΔW以公式(2)计算：

第二计算模块，其用于计算该矩形贴片微带天线的所对应的谐振频率f₀和品质因数Q_t；

电磁数值仿真模块，其用于对所述矩形贴片微带天线进行仿真分析，以获得对应的谐振电阻；

数据拟合模块，其用于利用参数确定模块、第一计算模块及第二计算模块所获取的数据拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻R_max，其中，矩形贴片微带天线谐振电阻R_max的计算公式为：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆为待定系数。

以及比较判断模块，其用于比较判断通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻与采用电磁数值仿真技术得到的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，是则确定通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻为最终的矩形贴片微带天线谐振电阻。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过本发明所述的计算方法可以有效地确定矩形贴片微带天线的谐振电阻，提高了天线的匹配效率，缩短了天线的设计周期，并且该计算方法所适用的矩形贴片微带天线的介电常数和电厚度范围较宽。

附图说明

图1为矩形贴片微带天线的结构示意图；

图2为本发明所述计算方法对应的步骤流程图；

图3为本发明所述计算方法对应的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，矩形贴片微带天线的基本结构为：其包括介质基片12、置于介质基片12下方的接地板13、置于介质基片12上方的矩形贴片11；所述矩形贴片11贴附于介质基片12上，矩形贴片微带天线的相关参数应包括长度L、宽度W，介质基片12的介电常数ε_r，厚度h；矩形贴片馈电点到矩形贴片中心的距离x₀，同时还需要考虑矩形贴片微带天线边缘场效应后的扩展长度ΔL、扩展宽度ΔW。

如图2所示，本发明所述矩形贴片微带天线谐振电阻的计算方法包括下述步骤：

(1)确定所要计算的矩形贴片微带天线的物理尺寸及介质基片参数：包括确定矩形贴片的长度L和宽度W，介质基片的介电常数ε_r和厚度h，矩形贴片馈电点到矩形贴片中心的距离x₀，矩形贴片微带天线的有效介电常数ε_e；其中所述有效介电常数ε_e以公式(4)计算：

(2)计算矩形贴片边缘场效应引起的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW，其中，ΔL以公式(1)计算，ΔW以公式(2)计算：

(3)计算谐振频率f₀和品质因数Q_t：

式中，c为真空中的光速，

所述品质因数Q_t的计算方法如下：

式中，c₁以公式(9)计算：

式中，n₁为介质基片的反射系数，以公式(10)计算：

所述p以公式(11)计算：

式中，a₂、a₄和c₂分别为-0.16605、0.00761和-0.0914153，k₀为自由空间波数，以公式(12)计算：

所述η为辐射效率，以公式(13)计算：

(4)用电磁数值仿真技术对所述矩形贴片微带天线进行仿真分析，获取其谐振电阻：

具体地，本发明实施例采用的电磁数值仿真技术是基于有限元法的高频结构仿真器；具体的，首先在所述仿真器中根据矩形贴片的物理尺寸、介质基片的介电常数与厚度等参量构建矩形贴片微带天线的仿真模型，然后基于所要计算的天线结构设置相应的边界条件、激励方式及求解参数，再然后进行仿真计算并读取仿真结果，最后根据所述仿真结果得到矩形贴片微带天线的谐振电阻。优选的采所述仿真分析选定的矩形贴片微带天线的物理尺寸的取值范围为5mm≤L≤150mm，L/2≤W≤L，介质基片的介电常数取值范围为1.05≤ε_r≤4.5，厚度的取值范围为0.3mm≤h≤70mm。

(5)利用所获取的数据拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻R_max，其计算公式：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆为待定系数。

(6)判断由公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻与采用电磁数值仿真技术得到的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，若是，则根据公式(3)计算矩形贴片微带天线的谐振电阻。

具体地，先采用所述拟合的公式计算得到矩形贴片微带天线的谐振电阻R₁，然后采用电磁数值仿真技术获取所述矩形贴片微带天线的谐振电阻R₂，接着利用处理器对两组数据进行读取并做相应的计算，最后判断二者之间的相对误差是否小于设定的阈值，若是，则说明拟合得到的谐振电阻计算公式的准确度满足要求。因此，采用该谐振电阻计算公式(3)可以提高计算所得的谐振电阻的准确性。同时待定系数β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆可通过全局优化算法获得最优的数值，优选β₁＝425.3253，β₂＝2.0871，β₃＝5.3382，β₄＝96.0506，β₅＝0.7232和β₆＝-2.3528。

如图3所示，本发明的另一目的是要提供一种矩形贴片微带天线谐振电阻计算系统，其特征在于，包括：

参数确定模块，其用于确定所要计算的矩形贴片微带天线的物理尺寸及介质基片参数，所述的物理尺寸包括矩形贴片微带天线的长度L、宽度W以及矩形贴片微带天线馈电点到矩形贴片微带天线中心的距离x₀，所述的介质基片参数包括介质基片的介电常数ε_r、厚度h以及矩形贴片微带天线的有效介电常数ε_e；

第一计算模块，其用于计算矩形贴片微带天线边缘场效应引起的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW，其中，ΔL以公式(1)计算，ΔW以公式(2)计算：

第二计算模块，其用于计算该矩形贴片微带天线的所对应的谐振频率f₀和品质因数Q_t；

电磁数值仿真模块，其用于对所述矩形贴片微带天线进行仿真分析，以获得对应的谐振电阻；

数据拟合模块，其用于利用参数确定模块、第一计算模块及第二计算模块所获取的数据拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻R_max，其中，矩形贴片微带天线谐振电阻R_max的计算公式为：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆为待定系数。

以及比较判断模块，其用于比较判断通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻与采用电磁数值仿真技术得到的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，是则确定通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻为最终的矩形贴片微带天线谐振电阻。

综上所述，本发明通过建立矩形贴片微带天线谐振电阻的计算公式，并采用拟合方法以及电磁数值仿真技术对该计算公式中的待定系数进行确定，使得采用该公式求得的谐振电阻准确度高，并且其所适用的矩形贴片微带天线的介电常数和电厚度范围较宽。

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 (4)

1.一种矩形贴片微带天线谐振电阻计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、确定所要计算的矩形贴片微带天线的物理尺寸及介质基片参数，所述的物理尺寸包括矩形贴片微带天线的长度L、宽度W以及矩形贴片微带天线馈电点到矩形贴片微带天线中心的距离x₀，所述的介质基片参数包括介质基片的介电常数ε_r、厚度h以及矩形贴片微带天线的有效介电常数ε_e；

(2)、计算该矩形贴片微带天线边缘场效应引起的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW，其中，ΔL以公式(1)计算，ΔW以公式(2)计算：

$\mathrm{\Δ}L=h\left(\begin{array}{c}1.1435-0.4733\cos \left(\frac{W/h}{{\left(\right(W/h)+(h/W\left){\mathrm{\ϵ}}_e\right)}^{0.7809}}\right)\\ -0.4365\cos \left(\frac{{(W/h+h/W)}^{-0.667}}{\sqrt{\left({\mathrm{\ϵ}}_e\right(W/h\left)\right)}}\right)+0.0559\left(\frac{W/h}{{\mathrm{\ϵ}}_e\sqrt{\left(W/h\right)+\left(h/W\right)}}\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}W=h\left(\frac{ln4}{\mathrm{\π}}\right)---\left(2\right);$

(3)、计算该矩形贴片微带天线的所对应的谐振频率f₀和品质因数Q_t；

(4)、利用电磁数值仿真技术，对所述矩形贴片微带天线进行仿真分析，以获得对应的谐振电阻；

(5)、利用步骤(1)-步骤(3)所获取的数据拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻R_max，其中，矩形贴片微带天线谐振电阻R_max的计算公式为：

$R_{\max }=\left\{{\mathrm{\β}}_1\left(\frac{{\mathrm{hf}}_0}{c}\right)Q_t\left(\frac{L+{\mathrm{\β}}_2\mathrm{\Δ}L}{W+{\mathrm{\β}}_3\mathrm{\Δ}W}\right)+{\mathrm{\β}}_4\cos \[{\left(\frac{L+2\mathrm{\Δ}L}{(W+2\mathrm{\Δ}W)}\right)}^{{\mathrm{\β}}_5}\left(1+{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{{\mathrm{\β}}_6}\right)\]\right\}{\cos }^2\[\frac{\mathrm{\π}\left(\frac{L}{2}-x_0\right)}{L}\]---\left(3\right)$

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆为待定系数。

(6)、比较判断通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻与采用电磁数值仿真技术得到的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，是则确定通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻为最终的矩形贴片微带天线谐振电阻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述谐振电阻计算公式(3)中的待定系数分别为：

β₁＝425.3253，β₂＝2.0871，β₃＝5.3382，β₄＝96.0506，β₅＝0.7232和β₆＝-2.3528。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述仿真分析选定的矩形贴片微带天线的物理尺寸的取值范围为5mm≤L≤150mm，L/2≤W≤L，介质基片的介电常数取值范围为1.05≤ε_r≤4.5，厚度的取值范围为0.3mm≤h≤70mm。

4.一种矩形贴片微带天线谐振电阻计算系统，其特征在于，包括：

参数确定模块，其用于确定所要计算的矩形贴片微带天线的物理尺寸及介质基片参数，所述的物理尺寸包括矩形贴片微带天线的长度L、宽度W以及矩形贴片微带天线馈电点到矩形贴片微带天线中心的距离x₀，所述的介质基片参数包括介质基片的介电常数ε_r、厚度h以及矩形贴片微带天线的有效介电常数ε_e；

第一计算模块，其用于计算矩形贴片微带天线边缘场效应引起的扩展长度ΔL与扩展宽度ΔW，其中，ΔL以公式(1)计算，ΔW以公式(2)计算：

$\mathrm{\Δ}L=h\left(\begin{array}{c}1.1435-0.4733\cos \left(\frac{W/h}{{\left(\right(W/h+h/W\left){\mathrm{\ϵ}}_e\right)}^{0.7809}}\right)\\ -0.4365\cos \left(\frac{{(W/h+h/W)}^{-0.667}}{\sqrt{\left({\mathrm{\ϵ}}_e\right(W/h\left)\right)}}\right)+0.0559\left(\frac{W/h}{{\mathrm{\ϵ}}_e\sqrt{\left(W/h\right)+\left(h/W\right)}}\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}W=h\left(\frac{ln4}{\mathrm{\π}}\right)---\left(2\right);$

第二计算模块，其用于计算该矩形贴片微带天线的所对应的谐振频率f₀和品质因数Q_t；

电磁数值仿真模块，其用于对所述矩形贴片微带天线进行仿真分析，以获得对应的谐振电阻；

数据拟合模块，其用于利用参数确定模块、第一计算模块及第二计算模块所获取的数据拟合出矩形贴片微带天线谐振电阻R_max，其中，矩形贴片微带天线谐振电阻R_max的计算公式为：

$R_{\max }=\left\{{\mathrm{\β}}_1\left(\frac{{\mathrm{hf}}_0}{c}\right)Q_t\left(\frac{L+{\mathrm{\β}}_2\mathrm{\Δ}L}{W+{\mathrm{\β}}_3\mathrm{\Δ}W}\right)+{\mathrm{\β}}_4\cos \[{\left(\frac{L+2\mathrm{\Δ}L}{(W+2\mathrm{\Δ}W)}\right)}^{{\mathrm{\β}}_5}\left(1+{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{{\mathrm{\β}}_6}\right)\]\right\}{\cos }^2\[\frac{\mathrm{\π}\left(\frac{L}{2}-x_0\right)}{L}\]---\left(3\right)$

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆为待定系数。

以及比较判断模块，其用于比较判断通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻与采用电磁数值仿真技术得到的谐振电阻之间的相对误差是否小于设定的阈值，是则确定通过公式(3)计算所得的矩形贴片微带天线谐振电阻为最终的矩形贴片微带天线谐振电阻。