8倒F天线.docx
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8倒F天线.docx
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8倒F天线
附录:
3D模型
回波损耗(S11)
输入阻抗随频率变化的关系
Smith圆图显示的输入阻抗结果
三维增益方向图
不同L值对应的S11曲线
不同L值对应的阻抗曲线
Smith圆图显示的不同L对应的输入阻抗
不同H值对应的S11的扫频分析结果
不同H值对应的输入阻抗曲线
Smith圆图显示的不同H对应的输入阻抗
不同S值对应的S11的扫频分析结果
不同S值对应的输入阻抗曲线
Smith圆图显示的不同S对应的输入阻抗
倒F天线
一、实验目的
1.了解倒F天线的结构和工作原理
2.了解倒F天线的辐射机理
3.学会分析倒F天线的各种参数和结果
二、实验原理
1、倒F天线概述
倒F天线是单极子天线的一种变形结构,其衍变发展的过程可以看成是从1/4波长单极子天线到倒L天线再到倒F天线的过程,如下图所示。
首先,将单极子天线进行90°弯曲,就能得到倒L天线,其总长度仍然是约为1/4个波长,单极子天线做这一变形的目的是有效地减少天线的高度。
然而对于倒L天线,其上半部分平行于地面,这样在减小高度的同时增加了天线的容性,为了保持天线的谐振特性,我们就需要增加天线的感性,通常是在天线的拐角处增加一个倒L形贴片,贴片的一端通过孔与地面相连,这样就形成如图所示的形状天线。
由于其形状像一个面向地面的字母F,因此将此种类型的天线称为倒F天线。
2、倒F天线的结构参数分析
倒F天线的结构如图所示,由长为L的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线并联而成。
其中,开路端到馈点可以等效成电阻和电容的并联(相当于负载,谐振时开路),短路端到馈点可以等效成电阻和电感的串联(谐振时短路)。
当天线谐振时,电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分,而馈电支路基本无电流分布。
阻抗减小,天线呈感性;反之,当长度L减小时,天线的谐振频率升高,输入阻抗变大,天线呈容性。
通常,L和H的长度之和约为1/4个工作波长。
而对于印制倒F天线,因为天线的辐射贴片是蚀刻在PCB介质层上的,所以L和H的长度之和一般介于1/4个自由空间工作波长和1/4个介质层导波波长之间。
在设计过程中,通常可以由下面的经验公式给出其初始值,即:
下图给出了倒F天线的结构参数L、H和S对天线的谐振频率和输入阻抗性能的影响。
3、倒F天线的辐射特性
倒F形天线不仅具有交叉极化特性,而且具有等向辐射特性。
当天线谐振时,电流主要分布在天线的水平部分和对地短路部分,馈电部分则基本无电流分布。
当取如上图所示的坐标系时,由水平部分电流所产生的相对电场强度为:
因此天线辐射的功率流密度为:
式中,η0=120π表示真空的特性阻抗。
由上式可见,功率流密度与方向θ、φ无关,因此天线在各个方向上辐射的功率密度都相同,并且都具有等向辐射特性。
由上式可知,电场的极化方向既包含θ方向的分量,也包含φ方向的分量,因此,倒F天线在空间辐射的电场方式上具有交叉极化的特点。
4、倒F天线的设计和分析
本节设计的倒F天线制作在PCB上,工作于2.4GHzISM频段,其中心工作频率为2.45GHz,并要求10dB带宽大于100MHz。
所设计的整个天线结构大致可以分为3个部分,分别是倒F形状天线、介质层和接地板。
介质层的材质使用的是PCB中最常用的玻璃纤维环氧树脂(FR4),其相对介电常数εr=4.4,损耗正切tanσ=0.02。
介质层的厚度为0.8mm,长度和宽度分别为110mm和50mm。
接地板位于介质层的下表面,其长度和宽度分别为90mm和50mm。
倒F形状天线位于介质层的上表面,其谐振长度L为16.2mm,天线高度H为3.8mm,接地点和馈电点的距离S为5mm,微带线的宽度为1mm。
天线的接地点通过过孔与接地板连接。
本书中在实际建模时,对接地的过孔做了简化处理,用一个矩形理想导体平面来代替。
三、实验步骤
1.新建设计工程
(1)运行HFSS并新建工程
(2)设置求解类型
(3)设置模型长度单位
2.添加和定义设计变量
3.IFA天线设计建模
(1)创建接地板
(2)创建介质层
(3)创建倒F天线模型
创建倒F天线的辐射贴片模型,其位于介质层的上表面,通过一个理想导体矩形面接地,天线辐射贴片的形状如图所示。
整个倒F天线的辐射贴片模型可以看做由如图所示的5个矩形面组成,其中矩形面1、矩形面2、矩形面3和矩形面4位于介质层的上表面,矩形面5平行于w平面,把天线和接地板连接起来。
建模时,我们可以首先分别创建如图所示的5个矩形面,然后通过合并操作,将所有的矩形面合并成一个完整的模型。
如下图所示:
4.设置激励端口
5.创建和设置辐射边界
6、求解设置
所设计的印制倒F天线工作于2.4GHzISM频段,其中心工作频率2.45GHz,所以求解频率可以设置为2.45GHz。
同时添加频率范围为1.8GHz〜3.2GHz的扫频设置,分析天线在1.8GHz〜3.2GH频段内的回波损耗和输入阻抗等性能。
(1)求解频率和网格剖分设置
设置求解频率为2.45GHz,自适应网格剖分的最大迭代次数为20,收敛误差为0.02。
(2)扫频设置
扫频类型选择插值扫频,扫频频率范围为1.8GHz—3.2GHz,频率步进为0.05GHz。
7.设计检查和运行仿真计算
8.查看天线性能
四、实验结果
见附录
五、实验总结
通过此次实验我了到倒F天线的的辐射特性及天线的结构参数对天线性能的影响,通过仿真结果报告我们可以分析出天线的谐振频率和输入阻抗与天线结构参数的关系。
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- 天线