CN106911002B - 一种圆极化微带天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化微带天线的设计方法，其包括：确定所需圆极化微带天线的中心工作频率f_r、3dB轴比带宽B_w以及介质基片的相对介电常数ε_r；计算与所述圆极化微带天线相对应的天线结构参量；将计算所得天线结构参量即方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t作为初始值，采用电磁数值仿真技术对天线结构参量进行微调，直至满足所需圆极化微带天线的设计技术指标要求。本发明的设计方法能简单、高效地得到圆极化微带天线的贴片物理尺寸和介质基片厚度，简化了圆极化微带天线的设计过程，缩短了其设计周期。

Description

一种圆极化微带天线的设计方法

技术领域

本发明涉及无线电通信领域的天线技术，具体的说是涉及一种圆极化微带天线的设计方法。

背景技术

天线作为收发设备的窗口，是任何无线电系统都不可缺少的重要前端器件。微带天线以其剖面低、体积小和成本低等优点在天线开发应用中独占鳌头。如圆极化微带天线由于具有能够抑制雨雾的干扰、抗多径反射且具有很好的移动性等优点，其在卫星通信、卫星导航和雷达等系统中有着广泛的应用。因此，研究圆极化微带天线的设计方法具有重要的理论意义和工程应用价值。

但是目前，即使结构最简单的圆极化微带天线(切角方形贴片微带天线)，其设计方法也是十分复杂的，且效率很低。对于切角方形贴片微带天线，已有的圆极化设计方法都是基于腔模理论，先求解微带天线的品质因数，然后利用品质因数计算切角尺寸，但微带天线的品质因数与介质损耗、辐射损耗、导体损耗和表面波损耗有关，计算过程十分复杂；并且在品质因数的求解过程中涉及到介质基片的厚度和贴片的宽度，所以设计前必须先假定介质基片的厚度值和贴片的宽度值，待求出贴片的切角尺寸后，利用电磁数值技术进行仿真并根据仿真结果调整介质基片的厚度值和贴片的宽度值，再重新计算和仿真调整，如此步骤反复多次，才能得到满足技术指标要求的圆极化微带天线，该设计过程费时费力，效率十分低，所以，研究一种简单、高效的圆极化微带天线设计方法是必要的。

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简单、高效的圆极化微带天线的设计方法，以克服现有技术中圆极化微带天线设计周期长、计算过程复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种圆极化微带天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定所需圆极化微带天线的中心工作频率f_r、3dB轴比带宽B_w以及介质基片的相对介电常数ε_r；

步骤2、计算与所述圆极化微带天线相对应的天线结构参量，所述天线结构参量至少包括有方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t，其各自对应的计算公式分别为公式(1)、(2)和(3)；

根据下述公式(1)计算方形贴片的宽度W，所述公式(1)为：

W＝155.2959×f_r ^-0.9463×ε_r ^-0.4646×B_w ^-0.053 (1)；

根据公式(2)计算介质基片的厚度H，所述公式(2)为：

根据公式(3)计算方形贴片的切角尺寸L_t，所述公式(3)为：

所述公式(1)、(2)和(3)中W、f_r、B_w、H、L_t的单位分别为mm、GHz、MHz、mm、mm；

步骤3、将计算所得天线结构参量即方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t作为初始值，采用电磁数值仿真技术对天线结构参量进行微调，直至满足所需圆极化微带天线的设计技术指标要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的设计方法能简单、高效地得到圆极化微带天线的贴片物理尺寸和介质基片厚度，简化了圆极化微带天线的设计过程，缩短了其设计周期。

附图说明

图1为本发明圆极化微带天线的结构示意图；

图2为本发明所述方法的步骤流程图；

图3为本发明圆极化微带天线尺寸微调后的轴比性能曲线图。

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。

基于已有技术存在的圆极化微带天线设计周期长、计算过程复杂的问题，本发明设计了一种简化的圆极化微带天线的设计方法，以便于简化圆极化微带天线的设计过程，缩短了其设计周期，本发明适用于现有常规圆极化微带天线结构设计，即如图1所示圆极化微带天线，其包括介质基片1、置于介质基片1正面的切角方形贴片2、置于介质基片1底面的接地板2和射频连接器4；并设定所述切角方形贴片2是宽度为W的方形贴片在一条对角线上被切除了两个等腰直角三角形的结构，所切除的等腰直角三角形的直角边长为L_t；所述介质基片1的相对介电常数为ε_r，厚度为H。

如图2，基于上述设计参数，则本发明具体包括，下述步骤：

步骤1、确定所需圆极化微带天线的中心工作频率f_r(GHz)、3dB轴比带宽(MHz)B_w以及介质基片的相对介电常数ε_r；

步骤2、计算与所述圆极化微带天线相对应的天线结构参量，所述天线结构参量至少包括有方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t，其各自对应的计算公式分别为公式(1)、(2)和(3)；

根据下述公式(1)计算方形贴片的宽度W(mm)，所述公式(1)为：

W＝155.2959×f_r ^-0.9463×ε_r ^-0.4646×B_w ^-0.053 (1)；

根据公式(2)计算介质基片的厚度(mm)，所述公式(2)为：

根据公式(3)计算方形贴片的切角尺寸L_t(mm)，所述公式(3)为：

步骤3、将计算所得天线结构参量即方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t作为初始值，采用电磁数值仿真技术对天线结构参量进行微调，直至满足所需圆极化微带天线的设计技术指标要求。

下面具体地对圆极化微带天线的设计方法进行说明：

步骤1:确定所需圆极化微带天线的中心工作频率f_r(GHz)、3dB轴比带宽B_w(MHz)和介质基片的相对介电常数ε_r；

具体地，圆极化微带天线的中心工作频率f_r为4.5GHz，3dB轴比带宽B_w为310MHz，介质基片的相对介电常数ε_r为2.65。

步骤2:计算与所述圆极化微带天线相对应的天线结构参量，即根据公式(1)计算方形贴片的宽度W(mm)：

W＝155.2959×f_r ^-0.9463×ε_r ^-0.4646×B_w ^-0.053 (1)

具体地，将步骤1中基本参数f_r、B_w和ε_r代入公式(1)中计算得方形贴片的宽度W为17.55mm。

根据公式(2)计算介质基片的厚度H(mm)：

具体地，将步骤1中基本参数f_r、B_w和ε_r代入公式(2)中计算得介质基片厚度H为6.54mm。

根据公式(3)计算方形贴片的切角尺寸L_t(mm)：

具体地，将步骤1中基本参数f_r、ε_r和计算所得的介质基片厚度H代入公式(3)中计算得方形贴片的切角尺寸L_t为6.78mm。

步骤3:将计算所得天线结构参量W(mm)、H(mm)和L_t(mm)作为初始值，采用电磁数值仿真技术对天线结构参量进行微调，以满足天线的设计技术指标要求。

具体地，将计算所得天线结构参量W＝17.55mm、H＝6.54mm和L_t＝6.78mm作为初始值，采用电磁数值仿真技术对天线结构参量进行微调，得到当W＝17.29mm、H＝6.46mm和L_t＝6.73mm时该天线的圆极化性能曲线如图2所示。从图3可以看到4.34GHz～4.66GHz频率范围内轴比小于3dB，满足天线的设计技术指标要求。

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 (1)

1.一种圆极化微带天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定所需圆极化微带天线的中心工作频率f_r、3dB轴比带宽B_w以及介质基片的相对介电常数ε_r；

步骤2、计算与所述圆极化微带天线相对应的天线结构参量，所述天线结构参量至少包括有方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t，其各自对应的计算公式分别为公式(1)、(2)和(3)；

根据下述公式(1)计算方形贴片的宽度W，所述公式(1)为：

W＝155.2959×f_r ^-0.9463×ε_r ^-0.4646×B_w ^-0.053 (1)；

根据公式(2)计算介质基片的厚度H，所述公式(2)为：

根据公式(3)计算方形贴片的切角尺寸L_t，所述公式(3)为：

所述公式(1)、(2)和(3)中W、f_r、B_w、H、L_t的单位分别为mm、GHz、MHz、mm、mm；

步骤3、将计算所得天线结构参量即方形贴片的宽度W、介质基片的厚度H以及方形贴片的切角尺寸L_t作为初始值，采用电磁数值仿真技术对天线结构参量进行微调，直至满足所需圆极化微带天线的设计技术指标要求。