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    一、印刷偶极子天线

    1、设计指标

    • 中心频率:2.45GHz
    • 相对介电常数:4.4
    • 介质板厚度:1.6mm

    2、天线结构

    如图所示为设计的微带巴伦馈线印刷偶极子天线的结构模型,该天线属于半波偶极子天线的变形。整个天线结构大致可以分为5部分,即介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面。
    在这里插入图片描述
    介质层的材质为环氧树脂玻璃纤维板( FR4),其相对介电常数 ε r \varepsilon_{r} εr =4.4。在介质层的两面分别敷有良导体的金属传输线,构成偶极子天线的两个臂、微带传输线和微带巴伦线。激励信号从天线馈电点处馈入,经过微带巴伦结构和微带传输线传输到偶极子天线的两个臂。在微带传输线上,电流方向相反,因此不会辐射电磁波。在偶极子天线的两个臂上,金属片的电流方向相同,因此会辐射电磁波。由半波偶极子天线的理论分析可知,天线两个臂的总长度约为1/2个工作波长。
    我们知道偶极子天线是一个对称结构,传输线上的馈电电流必须是对称分布的。若是馈线采用双传输线结构,因为双传输线的电流为对称分布,所以天线的电流亦为对称分布。然而,若是馈线采用同轴线结构,因为同轴线内外导体并不对称,所以天线上的电流也不会对称分布,从而会影响天线的性能。为了保证偶极子天线上电流的平衡,通常在天线和同轴线之间插入一个不平衡到平衡的转换器,即微波巴伦,它可以将不平衡的电流转换成平衡的电流。上图中的三角形结构就是一一个简单的微波巴伦,它可以实现不平衡到平衡的转换。
    我们知道半波偶极子天线的输人阻抗约为73.2 Ω \Omega Ω,而馈电端口同轴线的特性阻抗一般是 50 Ω \Omega Ω,若将同轴线直接连接至半波偶极子天线上,就会有阻抗不匹配的问题。三角形微带巴伦和微带传输线一起起到阻抗转换的作用,其作用相当于1/4波长阻抗转换器,可以调节传输线的长度和三角形的大小,还可以调整馈电面的输入阻抗。

    二、模型创建

    1、设计参量

    设计天线的中心频率为2. 45GHz,若在自由空间中传播,对应的工作波长约为波长约为122mm。若在全部填充以FR4材质的介质中传播,其对应的工作波长约为58mm。若我们采用自由空间波长,则半波偶极子的长度约为61mm。若我们采用介质中的波长,则半波偶极子的长度约为29mm。因为印刷偶极子天线同时包含介质与自由空间,所以实际的半波偶极子的长度应该介于29mm和61mm之间,我们取二者的平均值45mm作为半波偶极子长度的初始值,然后再使用HFSS软件分析出半波偶极子长度的实际值。在相对介电常数为4.4、厚度为1. 6mm的FR4介质板上,微带线结构对应的导波波长约68mm,1/4波长约为17mm。对于设计中的微带传输线,长度应该略大于17mm,设计中初始值取22mm。
    对于三角形的微带巴伦结构,两个直角边的长度初始值分别取12mm和10mm。设计中,金属片的宽带初始值都取3mm。

    变量意义变量名变量值(单位: mm)
    介质层厚度H1.6
    传输线宽度W13
    传输线长度L122
    偶极子金属片宽度W23
    偶极子一个臂长度L221
    巴伦三角形侧边直角边长L310
    巴伦三角形底边直角边长L412
    微波巴伦长方形部分的宽度W33

    参数化模型:
    在这里插入图片描述

    2、HFSS中的参量设定

    进入设计属性(design properties)将上述参量添加进去,如下图所示:
    在这里插入图片描述

    3、模型建立

    所建立模型如下,在模型建立的过程中使用了镜像复制(Mirror Duplicate)、镜像(Mirror)、合并(Unite)、平移(Move)等来提高效率。
    在这里插入图片描述
    激励端口设置如下,使介质板上下的微带线相连。
    在这里插入图片描述

    三、仿真结果

    1、回波损耗

    S(1,1)结果如下,从分析结果可以看出,设计的偶极子天线的中心频率约为2.45GHz, S 11 S_{11} S11< -10dB的相对带宽BW =(2. 73 -2.25)/2. 45=19.6%。
    在这里插入图片描述

    2、输入阻抗

    查看输入阻抗的设置如下:
    在这里插入图片描述
    点击【New Report】生成如下结果:
    在这里插入图片描述
    从结果可以看出,在中心频率2.45GHz处,天线的输入阻抗为(49.46-j5.15) Ω \Omega Ω。可见初试的天线结构已经达到了良好的阻抗匹配。

    3、方向图

    天线方向图是在远场区确定的,要查看天线远区场的计算结果,首先需要定义辐射表面。定义辐射边界为无限大空间(Infinite Sphere),设置角度界面如下:在这里插入图片描述
    下面我们给出设计的印刷偶极子天线的三维立体增益方向图:
    在这里插入图片描述

    四、分析天线臂的长度对中心频率的影响

    虽然当前设计的天线的初始结构已经达到了性能要求,但多数时候天线设计是不可能一步到位的,这就需要我们根据所学的理论知识,调整天线的结构参数,然后再交由HFSS仿真分析出能够达到设计要求的结构参数值。这里我们首先调整天线臂的长度,借助于HFSS的参数扫描分析功能分析出其对天线中心频率的影响。添加参数扫描分析项如下,因为设计中L2表示天线臂的长度,此处将L2进行扫描分析。
    在这里插入图片描述
    分析结果如下:
    在这里插入图片描述
    从结果可以看出,天线的谐振频率随着天线比的增大而减小。相同的方法对L3扫描,可得出平衡三角形的大小对带宽的影响如下:
    在这里插入图片描述
    可以看出平衡三角形的直角边长L3增大,天线的带宽随之减小。

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    概述

    半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线,也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成,每根导线的长度为1/4个工作波长。导线的直径远小于工作波长,在中间的两个端点上由等幅反相的电压激励,中间端点之间的距离远小于工作波长,可以忽略不计。

    1、电流分布

    对于从中心馈电的偶极子天线,其两端为开路,故电流为零。工程上通常将其电流分布近似为正弦分布。假设将偶极子天线沿z轴方向放置,其中心位于坐标原点,如图所示
    半波偶极子天线

    长度为 l l l的偶极子天线的电流分布可以表示为 I ( z ) = I 0 sin ⁡ k ( l − ∣ z ∣ ) − l ⩽ z ⩽ l I(z)=I_{0} \sin k(l-|z|) \quad-l \leqslant z \leqslant l I(z)=I0sink(lz)lzl式中, I 0 I_{0} I0是波腹电流; k k k是波数,且 k = 2 π / λ k=2π/λ k=2π/λ; l l l是偶极子天线的长度。对于半波偶极子天线而言,其长度 l = λ / 4 l=λ/4 l=λ/4。把上述参数代入到上式中,则半波偶极子天线的电流分布可以改写为: I ( z ) = I 0 sin ⁡ ( π 2 − k z ) = I 0 cos ⁡ ( k z ) I(z)=I_{0} \sin \left(\frac{\pi}{2}-k z\right)=I_{0} \cos (k z) I(z)=I0sin(2πkz)=I0cos(kz)

    2、辐射场和方向图

    已知半波偶极子天线上的电流分布,可利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。半波偶极子天线可以看成是由长度为dz的电基本振子天线连接而成的,dz 这一小段天线上的电流等幅同相,但沿着Z轴的电流幅度是按 I ( z ) = I 0 cos ⁡ ( k z ) I(z)=I_{0} \cos (k z) I(z)=I0cos(kz)分布的。电基本振子的远区辐射场为 E θ = j I d l 2 λ r μ 0 ε 0 sin ⁡ θ e − j k r E_{\theta}=\mathrm{j} \frac{I d l}{2 \lambda r} \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\varepsilon_{0}}} \sin \theta \mathrm{e}^{-\mathrm{j} k r} Eθ=j2λrIdlε0μ0 sinθejkr对此进行积分得半波偶极子天线的辐射场为 E θ = j d l 2 λ r μ 0 ε 0 sin ⁡ θ e − j k r [ ∫ − λ / 4 λ / 4 I 0 cos ⁡ ( k z ) d z ] E_{\theta}=\mathrm{j} \frac{d l}{2 \lambda r} \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\varepsilon_{0}}} \sin \theta \mathrm{e}^{-\mathrm{jkr}}\left[\int_{-\lambda / 4}^{\lambda / 4} I_{0} \cos (k z) \mathrm{d} z\right] Eθ=j2λrdlε0μ0 sinθejkr[λ/4λ/4I0cos(kz)dz]整理可得 E θ = j 60 I 0 r cos ⁡ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ θ e − j k r = j 60 I 0 r f ( θ , φ ) E_{\theta}=\mathrm{j} \frac{60 I_{0}}{r} \frac{\cos \left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin \theta} \mathrm{e}^{-\mathrm{j} k r}=\mathrm{j} \frac{60 I_{0}}{r} f(\theta, \varphi) Eθ=jr60I0sinθcos(2πcosθ)ejkr=jr60I0f(θ,φ)其中 f ( θ , φ ) = f ( θ ) = cos ⁡ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ θ f(\theta, \varphi)=f(\theta)=\frac{\cos \left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin \theta} f(θ,φ)=f(θ)=sinθcos(2πcosθ)称为半波偶极子天线的方向性函数。
    在电基本振子得辐射场中,电场分量 E θ E_{\theta} Eθ和磁场分量 H φ H_{\varphi} Hφ的比值为常数,将其称为波阻抗。对于自由空间而言,媒质的波阻抗为 η 0 = E θ H φ = μ 0 ε 0 = 120 π Ω \eta_{0}=\frac{E_{\theta}}{H_{\varphi}}=\sqrt{\frac{\mu_{0}}{\varepsilon_{0}}}=120 \pi \Omega η0=HφEθ=ε0μ0 =120πΩ故可求得半波偶极子天线的磁场为 H = 1 η 0 e ^ r × E = j I 0 2 π r cos ⁡ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ θ e − j k r e ^ φ \boldsymbol{H}=\frac{1}{\eta_{0}} \widehat{\boldsymbol{e}}_{r} \times \boldsymbol{E}=\mathrm{j} \frac{I_{0}}{2 \pi r} \frac{\cos \left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin \theta} \mathrm{e}^{-\mathrm{j} k r} \widehat{\boldsymbol{e}}_{\varphi} H=η01e r×E=j2πrI0sinθcos(2πcosθ)ejkre φ
    根据方向性函数可绘出半波偶极子天线的归一化场强方向图,在 H H H平面( θ = 90 ° \theta=90° θ=90°)极坐标方向图是一个圆。在 E E E平面( φ \varphi φ为常数)中,辐射场强会随着角度 θ \theta θ的变化而变化, θ = ± 9 0 ∘ \theta=\pm 90^{\circ} θ=±90方向上场强最大, θ = 0 ∘ \theta=0^{\circ} θ=0 θ = 18 0 ∘ \theta=180^{\circ} θ=180方向上场强为零。

    3、方向性系数

    天线的方向性系数 D D D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比 D ( θ , φ ) = U ( θ , φ ) U 0 D(\theta, \varphi)=\frac{U(\theta, \varphi)}{U_{0}} D(θ,φ)=U0U(θ,φ)式中,平均辐射强度 U U U。实际上是辐射功率除以球面积,即: U 0 = 1 4 π ∫ 0 2 π ∫ 0 π U ( θ , φ ) sin ⁡ θ d θ d φ U_{0}=\frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{2 \pi} \int_{0}^{\pi} U(\theta, \varphi) \sin \theta \mathrm{d} \theta \mathrm{d} \varphi U0=4π102π0πU(θ,φ)sinθdθdφ通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向性系数,即: D = U max ⁡ U 0 D=\frac{U_{\max }}{U_{0}} D=U0Umax代入方向性函数可计算出半波偶极子天线的功率方向性系数为 D = 1 1 4 π ∫ 0 2 π ∫ 0 π cos ⁡ 2 θ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ 2 θ sin ⁡ θ d θ d φ = 1.64 D=\frac{1}{\frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{2 \pi} \int_{0}^{\pi} \frac{\cos ^{2} \theta\left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin ^{2} \theta} \sin \theta \mathrm{d} \theta \mathrm{d} \varphi}=1.64 D=4π102π0πsin2θcos2θ(2πcosθ)sinθdθdφ1=1.64 D d B = 10 lg ⁡ ( 1.64 ) = 2.15   d B D_{\mathrm{dB}}=10 \lg (1.64)=2.15 \mathrm{~dB} DdB=10lg(1.64)=2.15 dB

    4、辐射电阻

    天线的平均功率密度可以用平均坡印廷矢量来表示,即: S a v = 1 2 ( E × H ∗ ) \boldsymbol{S}_{a v}=\frac{1}{2}\left(\boldsymbol{E} \times \boldsymbol{H}^{*}\right) Sav=21(E×H)把半波偶极子天线的辐射电场和辐射磁场代入式,可得 S a v = 15 I 0 2 π r 2 cos ⁡ 2 ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ 2 θ \boldsymbol{S}_{a v}=\frac{15 I_{0}^{2}}{\pi r^{2}} \frac{\cos ^{2}\left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin ^{2} \theta} Sav=πr215I02sin2θcos2(2πcosθ)半波偶极子天线的辐射功率则为: S r = ∫ s S a v   d S = ∫ 0 2 π ∫ 0 π 15 I 0 2 π r 2 cos ⁡ 2 θ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ 2 θ r 2 sin ⁡ θ d θ d φ = 36.6 I 0 2 S_{r}=\int_{s} \boldsymbol{S}_{a v} \mathrm{~d} S=\int_{0}^{2 \pi} \int_{0}^{\pi} \frac{15 I_{0}^{2}}{\pi r^{2}} \frac{\cos ^{2} \theta\left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin ^{2} \theta} r^{2} \sin \theta \mathrm{d} \theta \mathrm{d} \varphi=36.6 I_{0}^{2} Sr=sSav dS=02π0ππr215I02sin2θcos2θ(2πcosθ)r2sinθdθdφ=36.6I02这里使用R,来表示辐射电阻,有: P r = 36.6 I 0 2 = 1 2 I 0 2 R r P_{r}=36.6 I_{0}^{2}=\frac{1}{2} I_{0}^{2} R_{r} Pr=36.6I02=21I02Rr 可以计算出半波偶极子天线的辐射电阻为: R r = 73.2 Ω R_{r}=73.2 \Omega Rr=73.2Ω

    5、输入阻抗

    根据基本的传输线理论,输入阻抗一般同时包含实部和虚部两部分,即为: Z i n = R i n + j X i n Z_{\mathrm{in}}=R_{\mathrm{in}}+\mathrm{j} X_{\mathrm{in}} Zin=Rin+jXin其中,实部电阻 R in R_{\text{in}} Rin包含辐射电阻 R r R_{\text{r}} Rr,和导体损耗所产生的导体电阻 R σ R_{\sigma} Rσ。对于良导体而言,导体电阻可以忽略,此时实部电阻仅包含辐射电阻,即为: R in  ≈ R r R_{\text {in }} \approx R_{r} Rin Rr由理论分析可知,偶极子天线在天线长度 2 l 2l 2l约为 λ / 2 λ/2 λ/2时,虚部电抗 X i n = 0 X_{\mathrm{in}}=0 Xin=0。若采用更精确的场论分析,当 2 l = 0.48 λ 2l=0.48λ 2l=0.48λ时, X i n = 0 X_{\mathrm{in}}=0 Xin=0。综合以上的分析,对于半波偶极子天线而言,输入阻抗可以近似为: Z i n ≈ R r = 73.2 Ω Z_{\mathrm{in}} \approx R_{r}=73.2 \Omega ZinRr=73.2Ω可见,半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻,易于和馈线匹配,这也是它被较多采用的原因之一。

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  • 环形天线偶极天线

    2020-04-22 15:13:28
    偶极天线: 两个导体之间有变化的电压 两种常见的天线都会产生意外的电磁波辐射,属于电子设备中隐藏的天线在辐射电磁波。 线路板上的闭合电路就构成了环形天线,产生的电磁波辐射属于差模辐射。 在"意外"回路中流动...

    环形天线:
    闭合回路中有变化的电流叫做环路天线。
    偶极天线:
    两个导体之间有变化的电压
    两种常见的天线都会产生意外的电磁波辐射,属于电子设备中隐藏的天线在辐射电磁波。

    线路板上的闭合电路就构成了环形天线,产生的电磁波辐射属于差模辐射。
    在"意外"回路中流动的电流叫共模电流,共模电流的大小经常与”接地“的状态有关。
    天线的互易性:一种结构如果有利于辐射电磁波,那就也有利于接收电磁波。

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  • 基于ADS仿真的印刷偶极子天线性能分析,王军,,本文介绍了印刷偶极子天线结构及相关的理论分析,利用agilent公司的ADS仿真软件,在layout层面设计了给定指标下的印刷偶极子天线。��
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空空如也

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偶极子天线的结构