CN111428427B - 共形微波天线的设计与辐射特性建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，包括以下步骤：基于窄条式安装背景环境和宽带通信业务需求设计共形微波天线，采用L‑型探针在矩形辐射贴片宽边耦合馈电的结构；根据等效传输线模型计算天线主模所对应的谐振频率，然后根据等效传输线模型对等效介电常数、缩短因子进行修正；计算天线高频谐振频点，并拟合出低频谐振频点；根据通信业务工作频段计算天线初始结构尺寸；当天线谐振频点满足设计要求后，根据获得天线初始结构尺寸建立三维电磁仿真模型；根据三维电磁仿真模型确认天线性能，根据应用场景对天性的性能要求进行天线封装设计。本发明能更好的满足实际环境的需求。

Description

共形微波天线的设计与辐射特性建模方法

技术领域

本发明涉及天线设计封装技术领域，具体涉及一种共形微波天线的设计与辐射特性建模方法。

背景技术

天线作为通信系统的射频输入/输出端，在电磁性能满足要求的同时，还需要兼顾其结构形式，以便与系统兼容，并且还需要考虑设计成本与周期。当留给天线的设计空间为窄条式且需背馈时，要实现宽带定向辐射，并兼顾交叉极化，通常设计思路是：在传统窄带背馈微带天线的基础上拓宽带宽，或者在宽带定向天线的基础上调整结构为窄条式。然而，目前相关研究未见公开报道。

传统微带天线宽带技术有：缝隙耦合馈电技术(DOI：10.1109/TAP.2004.838796)，结构简单、带宽较宽，但缝隙耦合不能实现背馈；Esin采用增加介质基片厚度拓宽阻抗带宽到10％(DOI：10.1109/TAP.1986.1143890)，然而增加基板厚度会增加馈电探针长度，进而引起天线自身电感值的增加，并限制带宽的进一步展宽。在背馈条件下拓展微带天线阻抗带宽的典型技术有：在辐射贴片上刻蚀槽缝使得电流在缝隙边缘产生新的谐振，如T.Huynh提出的U型槽矩形贴片天线(DOI：10.1049/el:19950950)，Kin-Fai Tong采用FDTD法数值计算(DOI：10.1109/8.865229)，提出采用较厚的微波介质板(εr＝2.33)而非泡沫层，可使U-型槽微带天线带宽拓展到27％；类字母型辐射贴片以激励起多个高次谐振模式，如R.T.Cock提出的ψ-型贴片天线(DOI：10.1109/APS.1987.1149998)；在靠近馈电探针末端的辐射贴片引入电容效应以调谐探针的高电感，如P.S.Hall提出的基于细圆环缝隙的探针电感补偿天线(DOI：10.1049/el:19870434)；在馈电结构中引入电容效应以调谐探针的高电感，如K.M.Luk提出的传统L-型探针耦合馈电微带天线(DOI：10.1049/el:19981009)。现有的中国发明专利L型探针馈电的双频微带天线(申请号201811224145.4)、一种L型探针微带天线(申请号201510329899.6)、L型探针馈电的宽带多线极化可重构贴片天线及设计方法(申请号201810924098.8)、L型探针馈电宽频带圆极化贴片天线(申请号201610652447.6)等均直接采用仿真软件分析L探针在贴片长边馈电的情形。

然而，上述天线辐射贴片宽度均大于0.4λ，地板宽度通常大于1.0λ，不满足特定环境下的天线窄条式设计(贴片和地板宽度均不大于0.22λ)，且未对L型探针耦合馈电天线的宽带特性进行定量解析分析。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，更好的满足实际环境的需求。

本发明提供了一种共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于包括以下步骤：

a.基于窄条式安装背景环境和宽带通信业务需求设计共形微波天线，采用L-型探针在矩形辐射贴片宽边耦合馈电的结构；

b.根据等效传输线模型计算天线主模所对应的谐振频率，然后对等效介电常数、缩短因子进行修正；

c.计算天线高频谐振频点，并拟合出低频谐振频点；

d.根据通信业务工作频段计算天线初始结构尺寸；

e.当天线谐振频点满足设计要求后，根据获得天线初始结构尺寸建立三维电磁仿真模型；

f.根据三维电磁仿真模型确认天线性能，根据应用场景对天线的性能要求进行天线封装设计。

上述技术方案中，所述步骤a中，所述共形微波天线馈电方式为背馈，L-型探针在矩形辐射贴片的宽边耦合馈电，激励起矩形贴片的TM10工作模式，天线外观结构为窄条式；

所述共形微波天线高频谐振点f₁由矩形辐射贴片的空腔模TM₁₀模近似计算，低频谐振点f₂由L-型探针所对应的单级子天线的谐振频率近似计算。

上述技术方案中，所述步骤b中,对于具有较高空气层的双层微带天线结构，微带天线缩短因子k、相对介电常数ε′_r和等效介电常数ε′_e修正为：

k＝0

其中，h为介质板厚度，a为贴片长度，h_a为空气层厚度，ε_r为相对介电常数，ε₀为空气层介电常数。

上述技术方案中，所述步骤c中,高频谐振点f1由等效传输线模型计算：

其中，

低频谐振点f₂由f1拟合：

其中，c₁＝8、c₂＝2为拟合系数，s、t分别为L-型耦合馈电探针水平、垂直臂长度。

上述技术方案中，所述步骤d中，所述微波天线矩形辐射贴片尺寸为0.35λ×0.198λ，矩形接地板尺寸为1.1λ×0.22λ，其中λ为微波天线中心频率所对应波长；

所述L-型探针水平、垂直臂长度s、t分别为0.187λ、0.07λ，上、下介质板间空气层厚度h_a为0.1λ。

上述技术方案中，所述步骤e中，三维电磁仿真模型包括上介质基板和其下表面矩形辐射贴片、下介质基板和其下表面的矩形接地板、L-型探针；L-型探针的垂直臂下端透过矩形接地板延伸至下介质基板的下表面背馈接头，连接同轴馈线的中心导体；在上介质基板的下表面、L-型探针的上方设有一矩形辐射贴片；在下介质基板的下表面设有一矩形接地板。

上述技术方案中，所述步骤f中，用相同尺寸的薄铜板替代矩形辐射贴片和接地板；选择透波材料为天线罩，并对L-型探针进行填充加固。

上述技术方案中，所述步骤f中，所述封装天线辐射贴片长宽比大于1.7，接地板长宽比大于2，且辐射贴片和接地板宽度不大于0.22λ；

所述封装天线阻抗带宽大于30％，在主辐射方向θ<30°的范围内交叉极化小于-20dB，天线法向处增益在3.1-4.1GHz的频段范围内均大于6dBi，最大增益为7.63dBi(3.65GHz)，该频率与L-型探针耦合馈电微带天线的高频谐振点f1接近，即在天线主谐振点附近增益最大。

所述封装天线在低频谐振点f2处增益为5.54dBi，低于主谐振频点处增益，并随频率降低而线性降低。

本发明的有益效果在于：

(1)在天线满足宽带背馈定向辐射的同时，实现了窄条式设计，天线宽度为0.22λ，阻抗带宽为32％；

(2)采用L-型探针在矩形辐射贴片的宽边馈电，激励起天线TM10模，辐射贴片与探针之间引入了附加电容，抵消了探针加长所引起的高电感分量，获得了宽带特性。

(3)提出对于微带天线具有较高空气层的情形，天线的缩短效应并不明显，且等效介电常数ε′_e更接近于空气的介电常数ε₀。

(4)提出由空腔模型计算出天线主谐振点f₁，然后拟合出L-型探针所对应的低频谐振点f₂，该分析方法可广泛应用于电磁耦合式馈电微带天线的设计中。

附图说明

图1为本发明共形微波天线的设计方法框图；

图2为本发明共形微波天线的侧视图；

图3为本发明共形微波天线的俯视图；

图4为本发明共形微波天线的辐射贴片表面电流分布图；

图5为本发明共形微波天线的两个主面方向图(3.3GHz)；

图6为本发明共形微波天线的输入阻抗Smith圆图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种共形微波天线的设计与辐射特性建模方法图，根据窄条式安装背景环境和宽带通信业务的需求，选择了采用L型探针在矩形辐射贴片宽边馈电的共形微波天线结构形式，其具体包括以下步骤：

a.基于窄条式安装背景环境和宽带通信业务需求设计共形微波天线，采用L-型探针在矩形辐射贴片宽边耦合馈电的结构；

b.根据等效传输线模型计算天线主模所对应的谐振频率，然后对等效介电常数、缩短因子进行修正；

c.计算天线高频谐振频点，并拟合出低频谐振频点；

d.根据通信业务工作频段计算天线初始结构尺寸；

e.当天线谐振频点满足设计要求后，根据获得天线初始结构尺寸建立三维电磁仿真模型；

f.根据三维电磁仿真模型确认天线性能，根据应用场景对天线的性能要求进行天线封装设计。

本发明在矩形贴片的宽边采用L-型探针电磁耦合式馈电，激励起贴片空腔模TM₁₀模所对应的高频谐振点f₁，与L-型探针所对应的单级子天线低频谐振点f₂共同优化得宽带特性。相比传统矩形贴片天线谐振于TM01模，实现了小型化设计，并且保证了天线结构为窄条式(宽度为0.22λ)。针对具有较高空气层(0.1λ)的双层微带天线结构，提出天线边缘效应可忽略，且等效介电常数接近于空气，为此提出了天线缩短因子和等效介电常数的修正方案，同时还提出了由f1拟合f2的方案。该天线可用于微波频段、窄带条式安装环境下宽带背馈定向辐射的移动通信中，其分析方法还可广泛应用于电磁耦合式馈电微带天线的设计。

以天线工作于C波段为例，取中心频率f₀＝3.3GHz，上、下介质基板采用Rogers5880(介电常数ε_r＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.001)。则L-型探针水平、垂直臂长度分别为s＝0.187λ、t＝0.07λ，矩形辐射贴片尺寸为0.35λ×0.198λ，矩形接地板尺寸为1.1λ×0.22λ。

上述技术方案中，所述步骤a中，所述共形微波天线馈电方式为背馈，L-型探针在矩形辐射贴片的宽边耦合馈电，激励起矩形贴片的TM₁₀工作模式，天线外观结构为窄条式；

所述共形微波天线高频谐振点f₁由矩形辐射贴片的空腔模TM₁₀模近似计算，低频谐振点f₂由L-型探针所对应的单级子天线的谐振频率近似计算。

由主模TM₁₀计算共形微波天线初始高频谐振点：

其中，c为光速，ε_e为等效介电常数，m、n为模式数，a、b分别为辐射贴片的宽度、长度。计入缩短效应对贴片的影响：

其中，k为缩短因子，w为对应的辐射贴片a和b边的长度。

由L型探针所对应单极子天计算共形微波天线初始低频谐振点：

其中，s、t分别为L-型耦合馈电探针水平、垂直臂长度，h为介质板厚度。

对具有较高空气层的情形，提出修正微带天线缩短因子k和相对介电常数ε′_r：

k＝0

其中，h_a为空气层厚度，ε_r为介质板相对介电常数，ε₀为空气层介电常数，即此时天线的缩短效应并不明显，且等效介电常数ε′_r更接近于空气的介电常数ε₀。修正最终等效介电常数ε′_e：

修正高频振点：

其中，

由于L-型探针的水平和垂直臂长度对天线低频谐振点f2影响不一样，为体现其附加电容效应，对f₁进行拟合：

其中，c₁、c₂为拟合系数，调整矩形贴片和L-型探针的尺寸，可验证拟合系数的鲁棒性。

上述技术方案中，所述步骤d中，所述微波天线矩形辐射贴片尺寸为0.35λ×0.198λ，矩形接地板尺寸为1.1λ×0.22λ，其中λ为微波天线中心频率所对应波长；所述L-型探针水平、垂直臂长度s、t分别为0.187λ、0.07λ，上、下介质板间空气层厚度h_a为0.1λ。天线TM10模所对应的高频谐振点f1主要由辐射贴片尺寸决定。控制辐射贴片大小不变，介质基片厚度在0.1λ范围内，随着电介质基片的厚度增加，谐振频率将不断降低，进而可以拓宽带宽。然而，基板变厚会导致输入阻抗电感分量的增加，使天线匹配困难。本发明采用厚度为0.016λ薄介质板，保持介质板厚度不变，随着辐射贴片长度、宽度的增大，谐振频率向低频偏移，有利于实现小型化。贴片长度的减小将导致天线输入阻抗增大，长度过长将导致H面的交叉极化过高，而贴片的谐振频率主要受贴片宽度的影响较大。由于水平臂长度的增加导致天线输入电阻和电抗同时增加，而垂直臂长度增加将导致输入电抗变得更加感性。天线低频谐振点f2主要由L-型探针的总长度决定。比较L-型探针不同位移时对天线耦合的影响，探针部分被辐射贴片覆盖时的交叉极化将大于探针完全被覆盖时的交叉极化，因此控制探针始终处于辐射贴片的完全覆盖下，通过改变馈电点位置来实现阻抗匹配。

上述技术方案中，所述步骤e中，三维电磁仿真模型包括上介质基板1和其下表面矩形辐射贴片2、下介质基板3和其下表面的矩形接地板4、L-型探针5；L-型探针的垂直臂下端透过矩形接地板延伸至下介质基板的下表面50Ω的背馈接头6，连接同轴馈线的中心导体，连接同轴馈线的中心导体，进行背馈式馈电。在上介质基板的下表面、L-型探针的上方设有一矩形辐射贴片；在下介质基板的下表面设有一矩形接地板，如如2、3所示。本发明建立了共形微波天线3维仿真模型，结构包括矩形上介质基板、矩形下介质基板、上介质基板下表面矩形辐射贴片、下介质基板下表面的矩形接地板、L-型耦合馈电探针、下介质基板下表面背馈接头、设置于上下介质基板四对用于固定的圆孔、设置在下介质基板前后端两个用于天线固定的圆孔；L-型探针的垂直臂下端透过矩形接地板延伸至下介质基板的下表面形成馈电端口，同接头中同轴线的内导体相连进行背馈式馈电；在上介质基板的下表面，即L-型探针的上方设有一矩形辐射贴片；在下介质基板的下表面设有一接地板；在上介质基板和下介质基板之间通过设有四对圆形接口进行固定，在下介质基板前、后端另设有两圆形接口用于整体天线的固定。

上述技术方案中，所述步骤f中，用相同尺寸的薄铜板替代矩形辐射贴片和接地板；选择透波材料为天线罩，并对L-型探针进行填充加固。

上述技术方案中，所述步骤f中，所述封装天线辐射贴片长宽比大于1.7，接地板长宽比大于2，且辐射贴片和接地板宽度不大于0.22λ；

所述封装天线阻抗带宽大于30％，在主辐射方向θ<30°的范围内交叉极化小于-20dB，天线法向处增益在3.1-4.1GHz的频段范围内均大于6dBi，最大增益为7.63dBi(3.65GHz)，该频率与L-型探针耦合馈电微带天线的高频谐振点f1接近，即在天线主谐振点附近增益最大。

所述封装天线在低频谐振点f2处增益为5.54dBi，低于主谐振频点处增益，并随频率降低而线性降低。

图4为天线辐射贴片在3.3GHz表面电流分布示意图，电流主要沿贴片长边(b边)两侧边缘分布，激励了矩形贴片天线的主模TM10模。随着探针尺寸水平长度s和垂直高度t的变化，天线的谐振频率发生偏移，即使探针总长度s+t+h不变，也会出现不匹配的情形，且t的影响大于s。合理的调整馈电位置和L-型探针的结构尺寸，使得f2与f1相距较远，即可获得宽带特性；若f2与f1相距较近，即可获得良好的阻抗匹配。

图5为天线在两个主平面方向图，E面、H面3dB波瓣宽度分别为58°、126°，在主辐射方向θ<30°的范围内交叉极化小于-20dB。

图6为天线具有较高空气层(ha＝9mm，探针直接馈电)和L-型探针馈电时仿真输入阻抗史密斯圆图(均存在介质板的情形)。可以看出当空气层较高(0.1λ)时，上、下层介质板之间已经存在较大的电容效应(2.95-3.66GHz)，在此频段范围外呈现较大的电感分量，输入电阻较大123Ω(3.3GHz)。采用L-型探针耦合馈电以后，天线输入容抗、感抗、电阻均不同程度的降低，在3.74-3.79GHz频带范围内获得良好的阻抗匹配特性，阻抗带宽为32％。高频、低频谐振点分别为3.56GHz、2.94GHz，两个谐振频点之间反射系数曲线波动较为平坦，反射系数大小均小于-12dB。

根据对共形微波天线结构的选择、谐振频率频率的解析计算和仿真建模分析，其阻抗、方向图等特性满足窄条式背景安装环境和和宽带通信业务需求以后，即可根据实际应用场景对天线抗震性、机械性能等的要求，进行天线封装设计：用相同尺寸的薄铜板替代矩形辐射贴片和接地板；选择透波材料为天线罩，并对L-型探针进行填充加固。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于包括以下步骤：

a.基于窄条式安装背景环境和宽带通信业务需求设计共形微波天线，采用L-型探针在矩形辐射贴片宽边耦合馈电的结构；

b.根据等效传输线模型计算天线主模所对应的谐振频率，然后对等效介电常数、缩短因子进行修正；对于具有较高空气层的双层微带天线结构，微带天线缩短因子k、相对介电常数ε_r′和等效介电常数ε_e′修正为：

k＝0.125

其中，h为介质板厚度，a为贴片长度，b为辐射贴片的长度；h_a为空气层厚度，ε_r为相对介电常数，ε₀为空气层介电常数；

c.计算天线高频谐振频点，并拟合出低频谐振频点，高频谐振点f1由等效传输线模型计算：

低频谐振点f₂由f1拟合：

其中，c₁＝8、c₂＝2为拟合系数，s、t分别为L-型耦合馈电探针水平、垂直臂长度；ε_e为修正前的等效介电常数；

d.根据通信业务工作频段计算天线初始结构尺寸；

e.当天线谐振频点满足设计要求后，根据获得天线初始结构尺寸建立三维电磁仿真模型；

f.根据三维电磁仿真模型确认天线性能，根据应用场景对天线的性能要求进行天线封装设计；

步骤f中，天线TM10模所对应的高频谐振点f1主要由辐射贴片尺寸决定；控制辐射贴片大小不变，介质基片厚度在0.1λ范围内，随着电介质基片的厚度增加，谐振频率将不断降低，进而拓宽带宽；随着辐射贴片长度、宽度的增大，谐振频率向低频偏移，实现小型化；水平臂长度的增加导致天线输入电阻和电抗同时增加，而垂直臂长度增加将导致输入电抗变得更加感性；天线低频谐振点f2主要由L-型探针的总长度决定；比较L-型探针不同位移时对天线耦合的影响，探针部分被辐射贴片覆盖时的交叉极化将大于探针完全被覆盖时的交叉极化，控制探针始终处于辐射贴片的完全覆盖下，通过改变馈电点位置来实现阻抗匹配；天线辐射贴片电流主要沿贴片长边两侧边缘分布，激励了矩形贴片天线的主模TM10模；随着探针尺寸水平长度s和垂直高度t的变化，天线的谐振频率发生偏移，即使探针总长度s+t+h不变，也会出现不匹配的情形，且t的影响大于s；调整馈电位置和L-型探针的结构尺寸，使得f2与f1相距较远，即可获得宽带特性；若f2与f1相距较近，即可获得良好的阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于所述步骤a中，所述共形微波天线馈电方式为背馈，L-型探针在矩形辐射贴片的宽边耦合馈电，激励起矩形贴片的TM10工作模式，天线外观结构为窄条式；

所述共形微波天线高频谐振点f₁由矩形辐射贴片的空腔模TM₁₀模近似计算，低频谐振点f₂由L-型探针所对应的单级子天线的谐振频率近似计算。

3.根据权利要求1所述的共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于所述步骤d中，所述微波天线矩形辐射贴片尺寸为0.35λ×0.198λ，矩形接地板尺寸为1.1λ×0.22λ，其中λ为微波天线中心频率所对应波长；

所述L-型探针水平、垂直臂长度s、t分别为0.187λ、0.07λ，上、下介质板间空气层厚度h_a为0.1λ。

4.根据权利要求1所述的共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于所述步骤e中，三维电磁仿真模型包括上介质基板和其下表面矩形辐射贴片、下介质基板和其下表面的矩形接地板、L-型探针；L-型探针的垂直臂下端透过矩形接地板延伸至下介质基板的下表面背馈接头，连接同轴馈线的中心导体；在上介质基板的下表面、L-型探针的上方设有一矩形辐射贴片；在下介质基板的下表面设有一矩形接地板。

5.根据权利要求1所述的共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于所述步骤f中，用相同尺寸的薄铜板替代矩形辐射贴片和接地板；选择透波材料为天线罩，并对L-型探针进行填充加固。

6.根据权利要求1所述的共形微波天线的设计与辐射特性建模方法，其特征在于所述步骤f中，所述封装天线辐射贴片长宽比大于1.7，接地板长宽比大于2，且辐射贴片和接地板宽度不大于0.22λ；

所述封装天线阻抗带宽大于30％，在主辐射方向θ<30°的范围内交叉极化小于-20dB，天线法向处增益在3.1-4.1GHz的频段范围内均大于6dBi，最大增益为7.63dBi，该频率与L-型探针耦合馈电微带天线的高频谐振点f1接近，即在天线主谐振点附近增益最大；

所述封装天线在低频谐振点f2处增益为5.54dBi，低于主谐振频点处增益，并随频率降低而线性降低。

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