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仿真与测量实验设计研究

摘要:本文以一种典型的微带贴片天线教学为例,从理论、仿真设计以及实验测试三方面对相关教学环节和步骤进行了详细的介绍。理论设计部分重点介绍了设计贴片尺寸和进行阻抗匹配的方法。仿真环节介绍了模型、网格及收敛能量的设置。实验环节简要介绍了天线的简易测量系统和测试结果。

关键词:微带天线;CST;天线测试

一、概述

微带贴片天线[1-2],可以通过光刻腐蚀的方法制成。相比于常规的天线来说,其重量轻、体积小、剖面薄、制造成本低、易于大量生产,馈线和匹配网络可与天线同时制作,有着极为广泛的应用前景。因此在天线相关课程中,非常有必要设置以典型的矩形贴片天线设计为目标的教学实验课程。本文将从基本原理、设计步骤及测量方法等方面对矩形贴片天线的实验教学过程进行详细介绍。

二、微带矩形贴片天线理论设计步骤

贴片天线的理论设计步骤,可分为5步:第一步,基片选择。①选择低介电常数基板,可增强边缘场,但波长的增加会导致天线尺寸增大;选择高介电常数基片可使得天线尺寸减小,但也会造成其工作带宽的降低;②介质基板较厚,可增大天线的带宽和效率,但不能到激励起高次模。介质基板的厚度需满足:h≤0.3c2πfεr%姨(1)③对于微带贴片天线这种强谐振天线,介质基片的损耗应该尽可能的小。否则会造成天线即便是在匹配和方向性都很好的情况下,其增益很差。第二步,贴片宽度的确定。微带贴片天线,其贴片的宽度可以由下面的式子确定:W=c2fεr+12姨姨-12(2)当然其宽度也可以选为其他尺寸。当宽度过小时,辐射效率较低;过大时,辐射效率增高但会产生高次模式,引起场畸变。第三步,贴片长度的确定。理论上贴片长度为λ/2,但由于边缘效应的影响,谐振单元的长度要小于λ/2。可用下式计算:L=c2fεe%姨-2Δl(3)其中:εe=εr+12+εr-121+12hW姨姨-1/2ΔLh=0.412εe姨+0.3姨姨W/h+0.264姨εe姨-0.258姨姨W/h+0.8姨。第四步,馈电方式的选择。微带贴片天线常见的馈电方式有两种,在这一步可以对两种馈电方式的优缺点进行讲解,并让同学展开讨论。微带馈电,其由微带线直接对贴片进行馈电。馈电点的位置可以进行偏移。馈电点位置发生变化(尤其是馈电点在贴片宽边),其对应的输入阻抗会发生较大变化,因此这也提供了一种阻抗匹配的方法。这种馈电方式最大的优点在于馈电导线与贴片处于同于平面,便于集成。同轴馈电,将同轴线的外导体焊接在微带贴片天线的地板上,将内导体穿过介质基板焊接在贴片上。这种馈电方式的优点是很容易通过调整馈电位置实现阻抗匹配。缺点,同轴馈电阵列天线很有很多焊点,这会降低系统的可靠性,提升其制造难度。另外为了增加天线带宽使用厚介质基片,会增长同轴探针的长度,从而引起探针辐射、表面波辐射等。第五步,阻抗匹配。不同馈电方式,阻抗匹配[3]的方法不同。同轴馈电,可通过调整馈电点在贴片上所处的位置来实现阻抗匹配。沿着贴片宽度方向变化时,其阻抗变化最为敏感。微带线馈电,可调整其馈电点在贴片边缘的位置,并且还可以通过在馈电点开槽的方式进行阻抗匹配。微带矩形贴片天线仿真设计步骤:由于理论计算近似较多,还需对各个参数进行优化设计。这里采用CST仿真软件[4],步骤如下:第一步,建立如图1所示的微带贴片模型。本例中采用了微带线的中心馈电的方式,馈线阻抗选择100欧姆,该值更便于以后的实验课程中开展天线阵列的设计。第二步,调整开槽的长宽,观察微带贴片天线的输入阻抗随着槽的宽度和深度的变化情况。根据观察到的规律,设置合适的槽宽和深度,使得此时微带贴片天线的输入阻抗的实部为100欧姆左右。注意:需要利用CST的自适应网格功能,以保证计算结果的精度。网格自适应前后谐振频率会有一定偏差。收敛能量的设置,不会影响谐振位置,但阻抗实部峰值的大小会受到较大影响。第三步,由于理论计算采用了较多近似,并且加入了馈线和阻抗匹配开槽,此时贴片的谐振点必然会发生一定的偏移。因此需要对贴片的长度进行微调,使得天线谐振在适当的频率点。第四步,调整完毕后,对于单个贴片天线来说,还需要将它的输入阻抗变换到50欧姆。在这里可以让同学尝试使用不同的阻抗匹配方法。微带矩形贴片天线的加工及测试:图2给出了测量实验的基本配置图,包括:标准天线、被测天线、天线测试转台和矢量网络分析仪[5]。由于没有在暗室中进行,因此测量存在较大误差。但是作为学生实验,测量结果仍然可以很好地反映微带矩形贴片天线的特性,如图3所示。

三、总结

本文以矩形微带天线为例,详细介绍了其在理论、仿真设计和测试实验三方面的教学内容和注意事项。本文内容可以为天线类课程的实验设计提供相应的参考。

参考文献:

[1]GargR.MicrostripAntennaDesignHandbook[M].Microstripantennadesignhandbook.ArtechHouse,2001.

[2]鲍尔.微带天线[M].北京:电子工业出版社,1984.

[3]DavidM.Pozar.微波工程[M].第3版.北京:电子工业出版社,2006.

[4]金明涛.CST天线仿真与工程设计[M].北京:电子工业出版社,2014.

[5]JoelP.Dunsmore,陈新.微波器件测量手册:矢量网络分析仪高级测量技术指南[M].北京:电子工业出版社,2014.

作者:高博 单位:电子科技大学自动化工程学院

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