[發(fā)明專(zhuān)利]共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010230634.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111428427B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅康;孟進(jìn);葛松虎;劉宏波;郭宇;李毅;朱丹妮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/30
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/30
• 代理公司: 武漢開(kāi)元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 馬輝

1.一種共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法，其特征在于包括以下步驟：

a.基于窄條式安裝背景環(huán)境和寬帶通信業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)共形微波天線，采用L-型探針在矩形輻射貼片寬邊耦合饋電的結(jié)構(gòu)；

b.根據(jù)等效傳輸線模型計(jì)算天線主模所對(duì)應(yīng)的諧振頻率，然后對(duì)等效介電常數(shù)、縮短因子進(jìn)行修正；對(duì)于具有較高空氣層的雙層微帶天線結(jié)構(gòu)，微帶天線縮短因子k、相對(duì)介電常數(shù)ε_r′和等效介電常數(shù)ε_e′修正為：

k＝0.125

其中，h為介質(zhì)板厚度，a為貼片長(zhǎng)度，b為輻射貼片的長(zhǎng)度；h_a為空氣層厚度，ε_r為相對(duì)介電常數(shù)，ε₀為空氣層介電常數(shù)；

c.計(jì)算天線高頻諧振頻點(diǎn)，并擬合出低頻諧振頻點(diǎn)，高頻諧振點(diǎn)f1由等效傳輸線模型計(jì)算：

低頻諧振點(diǎn)f₂由f1擬合：

其中，c₁＝8、c₂＝2為擬合系數(shù)，s、t分別為L(zhǎng)-型耦合饋電探針?biāo)健⒋怪北坶L(zhǎng)度；ε_e為修正前的等效介電常數(shù)；

d.根據(jù)通信業(yè)務(wù)工作頻段計(jì)算天線初始結(jié)構(gòu)尺寸；

e.當(dāng)天線諧振頻點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求后，根據(jù)獲得天線初始結(jié)構(gòu)尺寸建立三維電磁仿真模型；

f.根據(jù)三維電磁仿真模型確認(rèn)天線性能，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)天線的性能要求進(jìn)行天線封裝設(shè)計(jì)；

步驟f中，天線TM10模所對(duì)應(yīng)的高頻諧振點(diǎn)f1主要由輻射貼片尺寸決定；控制輻射貼片大小不變，介質(zhì)基片厚度在0.1λ范圍內(nèi)，隨著電介質(zhì)基片的厚度增加，諧振頻率將不斷降低，進(jìn)而拓寬帶寬；隨著輻射貼片長(zhǎng)度、寬度的增大，諧振頻率向低頻偏移，實(shí)現(xiàn)小型化；水平臂長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致天線輸入電阻和電抗同時(shí)增加，而垂直臂長(zhǎng)度增加將導(dǎo)致輸入電抗變得更加感性；天線低頻諧振點(diǎn)f2主要由L-型探針的總長(zhǎng)度決定；比較L-型探針不同位移時(shí)對(duì)天線耦合的影響，探針部分被輻射貼片覆蓋時(shí)的交叉極化將大于探針完全被覆蓋時(shí)的交叉極化，控制探針始終處于輻射貼片的完全覆蓋下，通過(guò)改變饋電點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；天線輻射貼片電流主要沿貼片長(zhǎng)邊兩側(cè)邊緣分布，激勵(lì)了矩形貼片天線的主模TM10模；隨著探針尺寸水平長(zhǎng)度s和垂直高度t的變化，天線的諧振頻率發(fā)生偏移，即使探針總長(zhǎng)度s+t+h不變，也會(huì)出現(xiàn)不匹配的情形，且t的影響大于s；調(diào)整饋電位置和L-型探針的結(jié)構(gòu)尺寸，使得f2與f1相距較遠(yuǎn)，即可獲得寬帶特性；若f2與f1相距較近，即可獲得良好的阻抗匹配。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法，其特征在于所述步驟a中，所述共形微波天線饋電方式為背饋，L-型探針在矩形輻射貼片的寬邊耦合饋電，激勵(lì)起矩形貼片的TM10工作模式，天線外觀結(jié)構(gòu)為窄條式；

所述共形微波天線高頻諧振點(diǎn)f₁由矩形輻射貼片的空腔模TM₁₀模近似計(jì)算，低頻諧振點(diǎn)f₂由L-型探針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的單級(jí)子天線的諧振頻率近似計(jì)算。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法，其特征在于所述步驟d中，所述微波天線矩形輻射貼片尺寸為0.35λ×0.198λ，矩形接地板尺寸為1.1λ×0.22λ，其中λ為微波天線中心頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)；

所述L-型探針?biāo)健⒋怪北坶L(zhǎng)度s、t分別為0.187λ、0.07λ，上、下介質(zhì)板間空氣層厚度h_a為0.1λ。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法，其特征在于所述步驟e中，三維電磁仿真模型包括上介質(zhì)基板和其下表面矩形輻射貼片、下介質(zhì)基板和其下表面的矩形接地板、L-型探針；L-型探針的垂直臂下端透過(guò)矩形接地板延伸至下介質(zhì)基板的下表面背饋接頭，連接同軸饋線的中心導(dǎo)體；在上介質(zhì)基板的下表面、L-型探針的上方設(shè)有一矩形輻射貼片；在下介質(zhì)基板的下表面設(shè)有一矩形接地板。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法，其特征在于所述步驟f中，用相同尺寸的薄銅板替代矩形輻射貼片和接地板；選擇透波材料為天線罩，并對(duì)L-型探針進(jìn)行填充加固。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共形微波天線的設(shè)計(jì)與輻射特性建模方法，其特征在于所述步驟f中，所述封裝天線輻射貼片長(zhǎng)寬比大于1.7，接地板長(zhǎng)寬比大于2，且輻射貼片和接地板寬度不大于0.22λ；

所述封裝天線阻抗帶寬大于30％，在主輻射方向θ30°的范圍內(nèi)交叉極化小于-20dB，天線法向處增益在3.1-4.1GHz的頻段范圍內(nèi)均大于6dBi，最大增益為7.63dBi，該頻率與L-型探針耦合饋電微帶天線的高頻諧振點(diǎn)f1接近，即在天線主諧振點(diǎn)附近增益最大；

所述封裝天線在低頻諧振點(diǎn)f2處增益為5.54dBi，低于主諧振頻點(diǎn)處增益，并隨頻率降低而線性降低。