基于特征模理论的圆极化三角形微带天线的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于特征模理论的圆极化三角形微带天线的设计方法，包括步骤一：获取三角形贴片的优化边长a；步骤二:贴片缝隙尺寸的优化设计；步骤三：馈电位置的优化设计；本发明中该单馈点圆极化微带天线结构简单，易于加工，天线具有令人满意的阻抗和轴比带宽；本发明能从物理概念上解释圆极化微带天线的工作原理，并设计出确定的天线馈电位置和工作频率，效率比人工用HFSS仿真软件调整天线参数处理大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆极化三角微带天线的设计方法，更具体地说，是一种基于特征模理论结 合圆极化天线特点对圆极化三角微带天线进行优化设计方法。

背景技术

自微带天线的概念提出以来,由于它剖面薄,重量轻,可与载体共形,易与有源器件集 成等优点,已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域。尤其是圆极化微带天线具有一些显 著的优点:任意极化的来波都可以由圆极化天线收到,圆极化天线辐射的圆极化波也可以由 任意极化的天线收到;圆极化天线具有旋向正交性,圆极化波入射到对称目标反射波变为反 旋向等等。正是由于这些特点使圆极化天线具有较强的抗干扰能力,已经被广泛地应用于电 子侦察和干扰、通信和雷达的极化分集工作以及电子对抗等领域。

但是,由于微带天线的分析中近似处理太多,使得设计这种天线的准确性并不太好,尤 其是对微带贴片天线阻抗特性的分析,更难得到使人十分满意的效果。因此,微带贴片天线 馈电位置的确定往往需要实验调整的方法进行研究。另外一个值得重视的问题是由于圆极化 微带天线的频带窄,谐振频率设计的误差往往会造成天线频率的偏离,使得天线的圆极化特 性变差。

在单馈点圆极化微带天线的设计中，天线尺寸和馈电位置的调整往往通过电磁仿真软件 进行参数扫描或使用优化算法来完成。然而，这些设计方法过于繁琐，效率低，缺乏物理概 念解释。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于特征模理论的圆极化三角形微带天线 的优化设计方法。

本发明的一种基于特征模理论的圆极化三角形微带天线的设计方法，包括以下几个步骤：

步骤一：获取三角形贴片的优化边长a；

根据腔模理论谐振频率公式得到三角贴片的优化边长a，其中：f₀为圆极 化微带天线的谐振频率，c为真空中光速，ε_r是介质板的介电常数；

步骤二:贴片缝隙尺寸的优化设计；

步骤201：根据优化边长a，在仿真软件中构建圆极化三角形微带天线模型，并对天线 模型进行网格刨分；

步骤202：对步骤201得到的天线模型提取阻抗矩阵，通过对该天线阻抗矩阵进行特征 模分析，提取天线的特征模，确定该天线的模式分布中垂直模式以及水平模式的特征值；

步骤203：根据垂直模式以及水平模式的特征值，获取特征角和模式权重，提取垂直模 式和水平模式的特征角和模式权重随频率变化曲线；

步骤204：不断优化调整缝隙宽度W、缝隙长度L和缝隙在辐射贴片上的位置，当垂直 模式和水平模式在谐振频率点f₀处特征角相差90°，并且，模式权重相等时，得到最终优化 后的W、L；

步骤三：馈电位置的优化设计；

提取垂直模式和水平模式的特征电流J₁、J₂，并生成J₁-J₂的电流分布图，电流幅值分 布图中电流幅值最小点即为优化馈电点位置，完成圆极化三角形微带天线的优化设计。

本发明的优点在于：

（1）能从物理概念上解释圆极化微带天线的工作原理，并设计出确定的天线馈电位置和 工作频率；

（2）效率比人工用HFSS仿真软件调整天线参数处理大大提高；

（3）设计出的天线具有令人满意的阻抗和轴比带宽；

（4）该单馈点圆极化微带天线结构简单，易于加工。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是实施例构建的圆极化带缝隙三角形微带天线模型；

图3是实施例依据特征模理论提取的天线各阶模式分布；

图4是实施例提取的Mode1和Mode2的特征角-频率曲线；

图5是实施例提取的Mode1和Mode2的模式权重随-频率曲线；

图6是实施例生成的J₁-J₂电流幅值分布图；

图7是实施例生成的S11参数仿真图；

图8是实施例生成的轴比参数仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种基于特征模理论的圆极化三角形微带天线的设计方法，通过三个步骤完成 天线设计，在该方法中，针对在Matlab仿真软件里构建的圆极化微带天线模型，依据特征 模理论提取天线的各阶模式分布，通过优化调整缝隙的尺寸和位置控制Mode1和Mode2 在谐振频率点f₀的特征角和模式权重，根据J₁-J₂的电流幅值分布图确定同轴馈电点位置， 可达到圆极化天线设计的最优化效果。

本发明的一种基于特征模理论的圆极化三角形微带天线的设计方法，流程如图1所示， 包括以下几个步骤：

步骤一：三角形贴片的优化边长设置；

根据腔模理论谐振频率公式得到三角贴片的优化边长a，其中：f₀为圆极化 微带天线的谐振频率，c为真空中光速，ε_r是介质板的介电常数。

如果需要考虑终端效应或边缘效应，用等效节点常数${ϵ}_e=\frac{{ϵ}_r+1}{2}+\frac{{ϵ}_r-1}{4}{(1+\frac{12h}{a})}^{-1/2}$代换f₀表达式中的ε_r，用来代换f₀表达式中的a，则能较准确地求出优化边长a， 其中：h表示介质板的厚度。

实施例：若要构成圆极化三角形微带天线的谐振频率f=1.912Ghz，选定介电常数为4.4， 损耗角正切为0.02的高频介质板为介质层，由腔模理论谐振频率公式得优化边长a=48mm。

步骤二:贴片缝隙尺寸的优化设计；

步骤201：将特征模理论用于圆极化带缝隙三角形微带天线中，在Matlab仿真软件里 构建圆极化微带天线模型，并对天线模型进行网格刨分，如图2所示。

步骤202：依据特征模理论，对步骤201得到的天线模型提取阻抗矩阵，通过对该天线 阻抗矩阵进行特征模分析，提取天线的特征模，确定该天线的模式分布，包括一阶模（即 Mode1为垂直模式）、二阶模（即Mode2为水平模式）、三阶模及更高阶次模式，如图3 所示，并给出关键模式的特征值。（特征模理论是指哈林登于1971年在文献‘Theory of  Characteristic Modes forConducting Bodies’中介绍）

步骤203：对于研究设计圆极化微带天线，模式分布中的前两个模式足以表现天线的辐 射特性，即垂直模(Mode1)和水平模(Mode2)，Mode3及更高次模式可看做高阶模，在实 际中很难产生谐振。根据垂直模式以及水平模式的特征值，获取特征角和模式权重，提取出 垂直模式和水平模式的特征角和模式权重随频率变化曲线，分别如图4和图5所示。

步骤204：不断优化调整缝隙宽度W、缝隙长度L和缝隙在辐射贴片上的位置，在本发 明中，所述优化原则是使Mode1和Mode2在谐振频率点f₀处特征角相差90°（实施例中， Mode1特征角为248°，Mode2特征角为158°），如图4所示。并且模式权重相等（实 施例中，Mode1和Mode2权重都为0.45），如图5所示，实施例中，参数的最优值分别为 W=1mm，L=11.3mm。

步骤三：馈电位置的优化设计；

提取出Mode1和Mode2的特征电流J₁、J₂，并生成J₁-J₂的电流幅值分布图（即表 面电流密度分布，颜色越深，电流密度越小），实施例中的电流幅值分布图，如图6所示，图 中电流幅值最小点即为优化馈电点位置（x=30mm，y=5.3mm）。

对实施例进行S11（反射系数）参数仿真，如图7所示，图中S11参数为描述端口的 反射特性的参数。S11参数在1.912Ghz上为最低，即为反射最低，证明圆极化带缝隙三角 微带天线在1.912Ghz上谐振，并且小于-10dB的阻抗带宽为1.885GHz-1.955GHz。

对实施例进行轴比仿真，该圆极化天线小于3dB的轴比带宽为1.902GHz-1.921GHz, 如图8所示；

本实施例工作在1.912Ghz，如果要工作在其他频率，需要调整圆极化带缝隙天线的结 构尺寸参数及馈电位置。

本发明提供了一种基于特征模理论的圆极化三角形微带天线的优化设计方法，该方法能 从物理概念上解释圆极化微带天线的工作原理，并准确设计出天线的馈电位置和工作频率。 设计效率比人工用HFSS仿真软件调整天线参数处理大大提高。设计出的圆极化天线结构简 单，加工容易。