【《车载天线模型设计及仿真分析案例》2900字】

车载天线模型设计及仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19001车载天线模型设计及仿真分析案例 177241.1微带贴片天线基本原理 1250111.1.1微带天线的结构特点 1134191.1.2微带天线的一般特性 146121.2微带贴片天线的馈电方式 1120071.3车载天线模型设计 2210941.4圆形微带贴片天线模型结果分析 41.1微带贴片天线基本原理1.1.1微带天线的结构特点1953年，微带贴片天线由G.A.Deshamps首次提出，一直到20世纪70年代初期，微带贴片天线才被投入到实际应用中。微带贴片天线一般由介质基板、辐射贴片以及接地基板构成。微带贴片天线的介质基片我们一般要求其介电常数εr1.1.2微带天线的一般特性微带贴片天线是在带有金属导体的接地板介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它主要是利用连接微带线或添加同轴探针来对金属导体贴片进行馈电的，它的辐射机理实际上是高频的电磁泄露，馈电电流在通过金属导体贴片与接地板之间时激励起高频电磁场，并通过贴片与接地板间的缝隙向外进行辐射。因此，微带贴片天线也可以被看作是一种缝隙天线。1.2微带贴片天线的馈电方式馈电方式的合理选取对于微带贴片天线来说是十分重要的。就目前而言，微带贴片天线主要通过以下四种方式进行馈电：同轴线馈电、微带线馈电、口径耦合微带馈电和临近耦合微带馈电。其中我们将前两种称为直接方法，后两种方法称为非接触法。本节就目前应用较多的馈电方式进行简单介绍。(1)微带线馈电在通过微带线进行馈电时，微带线与微带贴片是在同一平面上的，因此我们可以将两者放在一起进行光刻，这种馈电结构在制作方面比较简单方便。但是它的缺点是微带线在工作时，自身也将产生电磁辐射，并对天线的辐射方向图产生一定的影响，从而使得天线的增益降低。所以我们在使用微带线馈电时，要求微带线的宽度不能太大，要远小于天线波长。通过反复实践，我们发现当馈电位置发生变化时，微带线与微带天线之间的耦合程度也会发生改变，会使谐振频率产生一个较小的漂移，但是天线的辐射方向图一般不会受到它的影响，因此我们可以通过选择合适的馈电点的位置来解决输入阻抗与特性阻抗之间的匹配问题，同时，我们还可以通过改变微带贴片的尺寸，来对产生漂移的谐振频率进行补偿。(2)同轴线馈电同轴线馈电是通过将同轴插座设置在印制电路板的背面，而同轴线内的导体即探针直接连接在天线导体上，所构成的一种馈电结构。因为它的传输线与辐射贴片直接接触，所以同轴线馈电也被人们认为是直接接触激励机制的一种。本文中所用到的圆形贴片天线采用的就是同轴线馈电技术，它的优势主要在于贴片上的馈电点可以选在贴片内的任何一个位置，同时还可以避免对天线辐射产生的影响。当然，这种馈电结构也有不足之处，它需要在介质基片上打孔，并且要将探针与微带贴片进行焊接，这种结构不便于集成，制作相对麻烦。1.3车载天线模型设计本文中所设计的车载天线模型主要是用于车载接收S频段天通一号卫星信号。基于圆形贴片天线的COMSOL设计模型及模型结构设计具体如下图所示。我们要求所设计的圆形贴片天线的工作频段适用指标为2370MHz~3220MHz。选取的介质基板为聚四氟乙烯(PTFE)基板，基板参数h=1.5mm、εr图1.1圆形贴片天线主视图图1.2圆形贴片天线侧视图车载天线模型的具体结构如上图1.1和图1.2所示，其中辐射圆形贴片与接地板间的介质共有两部分组成，其上层为聚四氟乙烯(PTFE)，其厚度为h1，下层为空气介质，其厚度为h2，并且h1远小于h2，这样设计的主要目的是因为是既可以通过增大介质层的厚度，又可以等效的降低相对介电常数，从而减小对天线辐射的影响，可得到的带宽也就越宽。接地板的位置是设计在介质层的下表面，且两者的大小尺寸相同。与传统的探针直接馈电不同的是，本文在设计天线时，在其探针顶部加载了一个小型的圆形金属贴片，其目的是用来对上层的辐射圆形贴片进行耦合馈电，其圆形金属贴片的半径为R3，它的位置位于这两层介质的交界面上。其中，最上层的辐射圆形贴片的半径为R0，同轴线的长度为天线各变量的具体尺寸参数如下表1.1所示：表1.1天线尺寸参数表变量含义参数名称数值(mm)同轴线的长度同轴线的半径圆形金属贴片的半径同轴电缆外皮的高度同轴电缆外皮的半径LRRgr130.62.522.05辐射圆形贴片的半径R23PTFE介质基板厚度h1.6PTFE介质基板宽度L60PTFE介质基板深度w60空气介质基板厚度空气介质基板宽度空气介质基板深度hLw106060介质基板（地板）的长度a60介质基板（地板）的宽度b60天线各变量参数的具体计算步骤如下：(1)计算辐射圆形贴片尺寸：辐射圆形贴片的半径可根据下式1.1和式1.2进行计算：k=a=式中，fr为中心频率，εr是相对介电常数，h为介质基片的厚度，通过以上式1.1和式(2)输入阻抗：在设计该模型时，还需计算出馈电点位置的输入阻抗值：YZ式中，β是介质的相位常数，z是馈电点到圆形辐射贴片边缘的距离，G是辐射电导。通过上式1.3和式1.4可计算得出天线的输入阻抗Zin(3)同轴线的尺寸及馈电点的位置：根据仿真结果以及调试可得50Ω同轴线的宽度为1.2mm，长度为13mm，金属馈电圆盘所对应的半径为2.5mm，馈电点的位置距离辐射圆形贴片中心6mm处。1.4圆形微带贴片天线模型结果分析(1)查看天线的谐振频率与S11值：如下图1.3所示为天线的S11参数幅度图：图1.3S11参数幅度图我们通过分析图1.3可以看出，天线的S11值在2.6GHz时达到了最小值，为-14.02dB，而在实际的工程设计中我们一般认为S11的值小于-10dB即可满足工程需求，已满足本设计中所要求的天线中心频率为2.6GHz的设计要求。(2)查看天线的电压驻波比如下图1.4所示为天线的电压驻波比参数图：图1.4电压驻波比参数图从图1.4我们可以看出，天线在2.6GHz的电压驻波比为1.4，电压驻波比越小，则表示天线发射的信号反射回来的越小，天线的传输性能越好。我们一般要求车载天线的电压驻波比应小于2，我们可以看出在频段2470MHz~2720MHz内的电压驻波比均小于2，但是与我们所要求的工作频段相比，带宽较窄，所以我们还需对其进行下一步优化。(3)查看天线的增益方向图天线的2D和3D增益方向图如图1.5和图1.6所示：图1.5天线的2D增益方向图图1.6天线的3D增益辐射方向图从图1.5中我们能够看出，在适用范围内天线在水平面上的主瓣宽度比较大，基本上没有旁瓣的产生，天线在水平面上具有全向辐射特性，而且在天线正上方时的辐射最大。从图1.6中我们可以看出，天线的最大辐射方向主要集中在垂直于辐射贴片的方向，其最大增益为