CN110488094B - 微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法，电性能至少包括谐振频率区间，该方法至少包括以下步骤：S1，确认制造参数的区间，其中，制造参数为微带贴片天线的长度、微带贴片天线的宽度、微带贴片天线的厚度或者微带贴片天线的介电常数；S2，计算介质基片的有效介电常数或者有效介电常数区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：S3，计算辐射缝隙的长度或长度区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：S4，计算谐振频率区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间。本发明提供的微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法不需要进行大量的分析和计算，可以节省计算时间和计算资源。

Description

微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及天线技术领域中的一种微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法。

背景技术

微带天线贴片是印制天线的最普通的形式，微带天线可以直接装在飞机或者导弹的金属表面上，微带天线的最简单形式是一个叠层结构，一层薄介质基片将两个平行导体面分开，下导体面与地面的作用相同，上导体具有多种形状，最简单的是矩形微带贴片天线。由于加工工艺的限制，微带天线加工时矩形贴片的长、宽和介质基片的厚度以及介质基片的相对介电常数会有加工误差，因此不同的微带贴片天线实物会表现出各自的电性能，其电性能之间存在差异。

分析微带贴片天线的电性能的方法众多，有传输线法，有限元法等可以得到天线的电性能。目前，在研究制造公差对天线电性能影响时，使用最多的仍是传统的统计方法，即将多个模型的数据结果列举出来并进行综合对比分析，因此通常需要进行大量的分析和计算，十分耗费时间和计算资源。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术中存在的上述不足之处。

为实现上述目的，本发明提供一种微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法，电性能至少包括谐振频率区间，至少包括以下步骤：S1，确认制造参数的区间，其中，制造参数为微带贴片天线的长度、微带贴片天线的宽度、微带贴片天线的厚度或者微带贴片天线的介电常数；S2，参考下列公式计算介质基片的有效介电常数或者有效介电常数区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：

S3，按照下面公式计算辐射缝隙的长度或长度区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：

S4，按照下面公式计算谐振频率区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：

式中，c表示光速，且c＝299792458m/s，f表示工作频率，ε_r表示介质基片的相对介电常数，ε_e表示有效介电常数，h代表介质基片的厚度，W代表微带贴片天线贴片的宽度，Δl表示辐射缝隙的长度，L代表微带贴片天线贴片的长度。

优选地，所述电性能还包括远场方向图，当制造参数为微带贴片天线的长度、微带贴片天线的宽度或者微带贴片天线的厚度时，在步骤S4之后，还包括：S5，计算微带贴片天线的E面辐射方向性或者H面辐射方向性,具体的，

当制造参数为微带贴片天线的长度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面辐射方向性

当制造参数为微带贴片天线的宽度，按照下面公式，计算微带贴片天线的H面辐射方向性

当制造参数为微带贴片天线的厚度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面辐射方向性

式中，φ为yoz对应的夹角，θ为xoz面对应的夹角，k₀为波数且k₀＝2π/λ，意为2π长度上出现的全波数目，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，L^inf/sup代表微带贴片天线贴片的长度区间值，W^inf/sup代表微带贴片天线贴片的宽度区间，h^inf/sup表示介质基片的厚度区间。

优选地，所述电性能还包括波瓣宽度，在步骤S5之后，还包括：S6，计算E面波瓣宽度或者H面波瓣宽度，具体的，

当制造参数为微带贴片天线的长度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面波瓣宽度

当制造参数为微带贴片天线的宽度，按照下面公式，计算微带贴片天线的H面波瓣宽度

当制造参数为微带贴片天线的厚度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面波瓣宽度

式中，

为E面方向图的半功率波瓣宽度，

为H面方向图的半功率波瓣宽度区间。

本发明提供的微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法不需要进行大量的分析和计算，可以节省计算时间和计算资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明中贴片长度L区间分析的流程图；

图2为本发明中贴片宽度W区间分析的流程图；

图3为本发明中介质基片厚度h区间分析的流程图；

图4为本发明中介质介电常数εr区间分析的流程图；

图5为本发明微带贴片底馈天线结构示意图；

图6为本发明微带贴片底馈天线尺寸标注图；

图7为本发明中贴片长度L区间的E面方向图及局部放大图；

图8为本发明中贴片宽度W区间的H面方向图及局部放大图；

图9为本发明中介质基片厚度h区间的E面方向图及局部放大图。

具体实施方式

本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-4，本发明实施例提供一种微带贴片天线的部分参数影响谐振频率、远场方向图和波瓣宽度的区间分析，包括：

第一部分，微带贴片天线贴片的长度工差对谐振频率、远场方向图和波瓣宽度的区间分析。

第一步，微带贴片天线贴片的长的区间：

L∈[L^inf,L^sup]，L为公差内贴片长度区间内的实际长度，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，L^inf/sup表示L的区间值；

第二步，根据已知的c、f₀和ε_r计算贴片的宽度的理想值W：

第三步，根据介质基片的厚度h、W和ε_r计算ε_e：

第四步，根据h、W和ε_e计算Δl:

第五步，按照下式，计算谐振频率f的区间：

将贴片长的区间值带入下式，得到L区间值所对应的f区间值：

所得结果是一个区间值，f^sup/inf表示谐振频率的区间值，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，长度增加，谐振频率递减，式中，c表示光速且c＝299792458m/s，f₀表示工作频率，ε_r表示介质基片的相对介电常数，h代表介质基片的厚度，ε_e表示有效介电常数，Δl表示辐射缝隙的长度，L代表微带贴片天线贴片的长度，L^inf/sup代表微带贴片天线贴片的长度区间值，W代表微带贴片天线贴片的宽度。

第六步，按照下式，计算微带贴片天线的E面辐射方向性：

式中，φ为yoz对应的夹角，随着微带贴片天线贴片的长度的增大，E面辐射方向性减小。

第七步，按照下式，计算E面波瓣宽度：

式中，k₀为波数且k₀＝2π/λ，意为2π长度上出现的全波数目，

为E面方向图的半功率波瓣宽度，且随着微带贴片天线贴片的长度的增加而增大。

第二部分，微带贴片天线贴片的宽度公差对谐振频率、远场方向图和波瓣宽度的区间分析。

第一步，微带贴片天线贴片的宽的区间：

W∈[W^inf,W^sup]，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，W为贴片宽度的理想值，W^inf/sup表示W的区间值；

第二步，根据介质基片的厚度h、W^inf/sup和ε_r计算ε_e ^inf/sup：

第三步，根据h、W^inf/sup和ε_e ^inf/sup计算Δl^inf/sup:

第四步，将Δl^inf/sup和ε_e ^inf/sup带入下面的公式，得到W区间值所对应的f区间值：

所得结果是一个区间值，宽度增加，谐振频率递减，f^sup/inf表示谐振频率的区间范围，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界。式中，c表示光速且c＝299792458m/s，f₀表示工作频率，ε_r表示介质基片的相对介电常数，h代表介质基片的厚度，ε_e表示有效介电常数，ε_e ^inf/sup表示有效介电常数区间值，Δl表示辐射缝隙的长度，Δl^inf/sup表示辐射缝隙的长度区间，L代表微带贴片天线贴片的长度，W^inf/sup代表微带贴片天线贴片的宽度区间。

第五步，按照下式，计算微带贴片天线的H面辐射方向性：

式中，θ为xoz面对应的夹角，宽度增加，H面辐射方向性减小。

第六步，按照下式计算H面波瓣宽度：

式中，k₀为波数且k₀＝2π/λ，意为2π长度上出现的全波数目，

为H面方向图的半功率波瓣宽度区间，随着宽度的增加，波瓣宽度增大。

第三部分，微带贴片天线介质基片的厚度公差对谐振频率、远场方向图和波瓣宽度的区间分析。

第一步，微带贴片天线介质基片的厚度的区间：

h∈[h^inf,h^sup]，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，h为介质基片厚度的理想值，h^inf/sup表示h的区间值；

第二步，根据介质基片的厚度h^inf/sup、W和ε_r计算ε_e ^inf/sup：

第三步，根据h^inf/sup、W和ε_e ^inf/sup计算Δl^inf/sup:

第四步，将介质基片的厚度区间值带入公式(5)，得到h区间值所对应的f区间值：

所得结果是一个区间值，f^inf/sup表示谐振频率的区间范围，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，谐振频率随着厚度的增加而递减。式中，c表示光速且c＝299792458m/s，f₀表示工作频率，ε_r表示介质基片的相对介电常数，h代表介质基片的厚度，h^inf/sup表示h的区间值，ε_e表示有效介电常数，εe^sup/inf表示有效介电常数区间值，Δl表示辐射缝隙的长度，Δl^inf/sup表示辐射缝隙的长度区间，L代表微带贴片天线贴片的理想长度，W代表微带贴片天线贴片的理想宽度。

第五步，按照下式，计算微带贴片天线的E面辐射方向性：

式中，φ是yoz面对应的夹角，随着厚度的增加，E面辐射方向性增大。

第六步，根据下面的公式计算E面波瓣宽度：

式中，k₀为波数且k₀＝2π/λ，意为2π长度上出现的全波数目，

为E面的半功率波瓣宽度，随着厚度的增加，E面波瓣宽度增大。

第四部分，微带贴片天线介质基片的介电常数公差对谐振频率、远场方向图和波瓣宽度的区间分析。

第一步，微带贴片天线介质基片的介电常数的区间：

角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，ε_r为介质基片的理想介电常数，ε_r ^inf/sup表示ε_r的区间值；

第二步，根据介质基片的厚度h、W和ε_r ^inf/sup计算ε_e ^inf/sup：

第三步，根据h、W和ε_e ^inf/sup计算Δl^inf/sup:

第四步，将Δl^inf/sup和ε_e ^inf/sup带入下面的公式，得到W区间值所对应的f区间值：

所得结果是一个区间值，[f^inf，f^sup]表示谐振频率的区间范围，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，随着介电常数的增加，谐振频率减小。式中，c表示光速且c＝299792458m/s，f₀表示工作频率，ε_r表示介质基片的相对介电常数，ε_r ^inf/sup表示介质基片的相对介电常数的区间值，ε_e表示有效介电常数，ε_e ^inf/sup表示有效介电常数区间值，Δl表示辐射缝隙的长度，Δl^sup/inf表示辐射缝隙的长度区间，L代表微带贴片天线贴片的理想长度，W代表微带贴片天线贴片的理想宽度，h表示介质基片的理想厚度。

下面对本发明中使用微带贴片天线对公式的准确性进行验证。

根据图5和图6，天线的工作频率为5GHz，天线的基本尺寸如下表所示，

表1底馈微带贴片天线的基本尺寸

图5中，1代表同轴馈线的内芯(圆柱体)，2代表信号传输端口面(圆形)，3代表厚度为H的天线的介质基片，4代表天线的接地板，5代表天线辐射矩形贴片。

发明对微带贴片天线的4个参数进行了区间分析，L代表微带贴片天线贴片的长度，W代表微带贴片天线贴片的宽度，h代表介质基片的厚度，ε_r表示介质基片的相对介电常数，[f^inf，f^sup]表示谐振频率的区间范围，

代表E面波瓣宽度区间值，

代表H面波瓣宽度区间值，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界。

表2 Matlab公式计算频率和波瓣宽度结果

通过对比表格中的数据，得出下列结论：

(1)较大的区间值包含了较小的区间值。

(2)随着4个参数区间的增大，所得出的谐振频率范围也在增加，且区间中心为5.0GHz；

其中，贴片的长度对谐振频率的影响最大，其次是介质基片的厚度。

(3)相对于H面，E面的波瓣宽度区间范围变化更加明显，贴片的长度影响最大，其余3个参数对波瓣宽度的影响相对较小。

将方向图数据进行归一化，远场方向图如图3所示，4个参数的远场方向图数据统计如表3-5所示，方向图的相位为[0，π]，共取[0°,180°]181个数据，为方便比较方向图数据，暂取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°七个数据进行记录并进行对比。

表3贴片长度L区间E面方向图计算结果

表4贴片宽度W区间H面方向图计算结果

表5介质基片厚度h区间E面方向图计算结果

结合表3-5，通过对归一化后的方向图的对比，较大的区间的方向图包含了较小的区间方向图。基本参数区间增大，所对应的方向图的区间值增大，相对于贴片的宽度数据，贴片的长度对方向图的影响较大。

图7-9分别对应于表3、4、5，是由全部的数据画出的结果图，三条线分别代表对应制造公差中的在每个角度(将180度等分180份)的最小值、理想值和最大值曲线；且表格中的数据提取自图7-9。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法，其特征在于，所述电性能至少包括谐振频率区间，至少包括以下步骤：

S1，确认制造参数的区间，其中，制造参数为微带贴片天线的长度、微带贴片天线的宽度、微带贴片天线的厚度或者微带贴片天线的介电常数；

S2，参考下列公式计算介质基片的有效介电常数或者有效介电常数区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：

S3，按照下面公式计算辐射缝隙的长度或长度区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：

S4，按照下面公式计算谐振频率区间，将涉及的参数替换为相应的参数的区间：

式中，c表示光速，且c＝299792458m/s，f表示工作频率，ε_r表示介质基片的相对介电常数，ε_e表示有效介电常数，h代表介质基片的厚度，W代表微带贴片天线贴片的宽度，Δl表示辐射缝隙的长度，L代表微带贴片天线贴片的长度。

2.根据权利要求1所述的微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法，其特征在于，所述电性能还包括远场方向图，当制造参数为微带贴片天线的长度、微带贴片天线的宽度或者微带贴片天线的厚度时，在步骤S4之后，还包括：

S5，计算微带贴片天线的E面辐射方向性或者H面辐射方向性,具体的，

当制造参数为微带贴片天线的长度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面辐射方向性

当制造参数为微带贴片天线的宽度，按照下面公式，计算微带贴片天线的H面辐射方向性

当制造参数为微带贴片天线的厚度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面辐射方向性

式中，φ为yoz对应的夹角，θ为xoz面对应的夹角，k₀为波数且k₀＝2π/λ，意为2π长度上出现的全波数目，角标inf和sup分别表示区间的下边界和上边界，L^inf/sup代表微带贴片天线贴片的长度区间值，W^inf/sup代表微带贴片天线贴片的宽度区间，h^inf/sup表示介质基片的厚度区间。

3.根据权利要求2所述的微带贴片天线制造公差对电性能影响的区间分析方法，其特征在于，所述电性能还包括波瓣宽度，在步骤S5之后，还包括：

S6，计算E面波瓣宽度或者H面波瓣宽度，具体的，

当制造参数为微带贴片天线的长度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面波瓣宽度

当制造参数为微带贴片天线的宽度，按照下面公式，计算微带贴片天线的H面波瓣宽度

当制造参数为微带贴片天线的厚度，按照下面公式，计算微带贴片天线的E面波瓣宽度

式中，

为E面方向图的半功率波瓣宽度，

为H面方向图的半功率波瓣宽度区间。

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