基于耦合馈电的微带天线单元设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合馈电的微带天线单元设计方法，主要解决现有微带天线性能低和工艺难实现的问题。其方案是：根据微带天线设计和工艺要求，确定天线基板、辐射贴片、耦合馈线、接地板的材料与微带天线基本结构，根据设计要求与材料参数，确定主辐射贴片和十字形耦合馈电缝隙的尺寸；在三维高频电磁场仿真软件中为微带天线基本结构添加辐射边界和端口激励，设置仿真频率、网格和扫频参数，并对其进行仿真；将仿真结果与设计要求对比，调整天线尺寸并对微带天线添加调谐支路、反射板、空气腔和寄生辐射贴片，以满足设计需求，确定出最终微带天线结构。本发明专利技术提高微带天线的增益和带宽，降低其工艺实现难度，可用于通信系统与雷达系统。

【技术实现步骤摘要】
基于耦合馈电的微带天线单元设计方法
本专利技术属于天线
，特别涉及一种微带天线单元的设计方法，可用于通信系统与雷达系统。
技术介绍
最近几十年来，随着现代加工工艺技术的发展，渐渐形成了以微带天线为代表的新型平面天线。微带天线有诸多的优点，如：低廉的成本，易于量产，低质量，小尺寸，低剖面，可以应用于双极化，多频带，多波束等多种环境。微带天线作为通信系统的一部分，在通信领域里有着重要地位，在许多领域都有十分广泛的应用，如无线电通信、卫星通讯、无线遥感、自动监测系统、导弹遥感控制、无线电控制、水文环境监测系统、雷达的馈电单元系统、GPS卫星导航系统等。现有微带天线的馈电方式大多采用侧馈或同轴馈电，这两种馈电结构虽然较为简单，但由于同轴馈电微带天线需要在介质板上设计金属通孔，在工艺上实现难度较高。侧馈微带天线由于受微带线耦合影响，增益低，难以满足日渐提高的天线性能要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提供一种基于耦合馈电的微带天线单元设计方法，以提高微带天线单元的增益和带宽，降低其工艺实现难度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：1、一种基于耦合馈电的微带天线单元设计方法，其特征在于，包括如下：1)根据微带天线的设计要求以及工艺加工难度，确定天线基板、辐射贴片、耦合馈线与接地板的材料；2)确定微带天线的基本结构：即从上到下依次是：主辐射贴片、第一层天线基板、十字型耦合缝隙的接地板、第二层天线基板和耦合馈线；>3)根据天线基板材料的参数与微带天线的设计要求，确定主辐射贴片的宽W和长L：其中：c为光在真空中的传播速度，εr为基板材料的相对介电常数，f为微带天线的工作频率，λg为基板材料内的导波波长，ΔL为等效缝隙辐射长度；4)根据主辐射贴片的尺寸，确定十字形耦合馈电缝隙的初始长度a和宽度b：a＝W/2，b＝a/10；5)根据微带天线的基本结构、主辐射贴片的尺寸和十字形耦合馈电缝隙尺寸，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，为微带天线的基本结构添加辐射边界和端口激励；6)根据微带天线的工作频率和精度要求，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，设置仿真频率、自适应网格最大迭代次数、收敛误差、扫频频率范围和扫描频率步进，并对微带天线单元模型进行仿真；7)根据仿真得出的回波损耗曲线、增益图和Smith圆图，将仿真结果与微带天线的设计要求进行对比，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，不断调整天线十字形耦合缝隙的长度、宽度以及添加调谐支路，进行初步优化；8)在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，对初步优化后尚未达标的微带天线添加相应的结构，直到满足性能需求，得到设计好的微带天线结构。本专利技术与现有的技术相比，具有以下优点：1)本专利技术由于微带天线采用耦合馈电结构和十字型耦合缝隙的接地板，提高了微带天线的增益与带宽。2)本专利技术的天线基板由于采用Dupont951型陶瓷材料，降低了实现微带天线的工艺难度。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为本专利技术中基本天线单元结构示意图；图3为本专利技术中主辐射贴片宽度对回波损耗的影响；图4为本专利技术中十字形耦合缝隙尺寸对回波损耗的影响；图5为本专利技术中调谐支路尺寸对回波损耗的影响；图6为本专利技术中微带天线基本结构添加反射版、空气腔和寄生辐射贴片前后的增益对比图；图7为本专利技术中微带天线基本结构添加反射版、空气腔和寄生辐射贴片后的微带天线结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。当然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，并不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参照图1，本实例的实现步骤如下：步骤1、确定天线基板、主辐射贴片、馈线和接地层的材料。1.1)根据微带天线的增益要求确定基板材料的正切损耗角值tanδ与相对介电常数εr，根据微带天线的带宽确定低温烧结后每层陶瓷材料的厚度；本实例选用但不限于正切损耗角值tanδ为0.0015、相对介电常数εr为7.8且低温烧结后每层厚度为0.096mm的Dupont951型陶瓷材料。1.2)根据导电性与辐射特性的要求，选用主辐射贴片、馈线和接地板的材料：主辐射贴片、馈线和接地板的材料可以选用金、银、铜金属中的任意一种，厚度范围为0.01mm到0.03mm；本实例中主辐射贴片、馈线和接地板的材料选用但不限于银金属，厚度为0.01mm。步骤2、根据微带天线的设计要求与选用的材料，确定天线单元的基本结构。微带天线单元的基本结构如图2所示，其从上到下依次是：主辐射贴片、第一层天线基板、带有十字形耦合缝隙的接地板、第二层天线基板、耦合馈线。主辐射贴片宽度的范围为2mm到5mm，主辐射贴片长度的范围为1.5mm到3mm,十字形耦合缝隙长度的范围为1.4mm到2.2mm，十字形耦合缝隙宽度的范围为0.15mm到0.4mm，耦合馈线的宽度的范围为0.2mm到0.3mm。步骤3、根据天线基板材料的参数与微带天线的设计要求，确定主辐射贴片尺寸和十字形耦合馈电缝隙的尺寸。3.1)确定主辐射贴片尺寸：3.1.1)根据材料参数与设计要求，确定主辐射贴片的宽度W：其中：c是光在真空中的传播速速，f是微带天线的工作频率，εr是基板材料的相对介电常数；3.1.2)根据主辐射贴片的宽度W，确定天线基板的有效介电常数εe：其中：h为天线基板的厚度；3.1.3)根据主辐射贴片的宽度W和天线基板的有效介电常数εe，确定等效缝隙辐射长度ΔL和基板内的导波波长λg：3.1.4)根据等效缝隙辐射长度ΔL和基板内的导波波长λg，确定主辐射贴片的长度L：3.2)根据主辐射贴片的尺寸确定十字形耦合缝隙初始长度a和宽度b：a＝W/2，b＝a/10；为了使耦合馈电达到最优效果，将十字形耦合缝隙置于接地板中心位置。本实例中取但不限于十字形耦合缝隙的长度a为1.8mm，十字形耦合缝隙的宽度b为0.37mm，主辐射贴片的宽度W为2.8mm，主辐射贴片的长度L为1.5mm。步骤4、在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，为微带天线基本结构添加辐射边界和端口激励。设辐射边界表面与主辐射贴片的距离大于等于电磁波波长的四分之一；设端口激励类型为波端口和集总端口。本实例中，微带天线的工作频率为15GHz，电磁波波长的四分之一为5mm；端口激励类型设置为集总端口。步骤5、根据工作频率要求以及精度要求，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中微带天线基本结构进行仿真。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耦合馈电的微带天线单元设计方法，其特征在于，包括如下：/n1)根据微带天线的设计要求以及工艺加工难度，确定天线基板、辐射贴片、耦合馈线与接地板的材料；/n2)确定微带天线的基本结构：即从上到下依次是：主辐射贴片、第一层天线基板、十字型耦合缝隙的接地板、第二层天线基板和耦合馈线；/n3)根据天线基板材料的参数与微带天线的设计要求，确定主辐射贴片的宽W和长L：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合馈电的微带天线单元设计方法，其特征在于，包括如下：
1)根据微带天线的设计要求以及工艺加工难度，确定天线基板、辐射贴片、耦合馈线与接地板的材料；
2)确定微带天线的基本结构：即从上到下依次是：主辐射贴片、第一层天线基板、十字型耦合缝隙的接地板、第二层天线基板和耦合馈线；
3)根据天线基板材料的参数与微带天线的设计要求，确定主辐射贴片的宽W和长L：






其中：c为光在真空中的传播速度，εr为基板材料的相对介电常数，f为微带天线的工作频率，λg为基板材料内的导波波长，ΔL为等效缝隙辐射长度；
4)根据主辐射贴片的尺寸，确定十字形耦合馈电缝隙的初始长度a和宽度b：
a＝W/2，b＝a/10；
5)根据微带天线的基本结构、主辐射贴片的尺寸和十字形耦合馈电缝隙尺寸，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，为微带天线的基本结构添加辐射边界和端口激励；
6)根据微带天线的工作频率和精度要求，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，设置仿真频率、自适应网格最大迭代次数、收敛误差、扫频频率范围和扫描频率步进，并对微带天线单元模型进行仿真；
7)根据仿真得出的回波损耗曲线、增益图和Smith圆图，将仿真结果与微带天线的设计要求进行对比，在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，不断调整天线十字形耦合缝隙的长度、宽度以及添加调谐支路，进行初步优化；
8)在三维高频电磁场仿真软件HFSS中，对初步优化后尚未达标的微带天线添加相应的结构，直到满足性能需求，得到设计好的微带天线结构。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：董刚，孟令东，朱樟明，杨银堂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61