本發(fā)明涉及無(wú)線電通信領(lǐng)域的天線技術(shù)，具體為一種矩形貼片微帶天線諧振電阻的計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對(duì)于無(wú)線電通信系統(tǒng)，天線必不可少，而微帶天線以其體積小、重量輕、剖面低、易集成和低成本等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。諧振電阻作為微帶天線的重要參數(shù)之一。若諧振電阻分析不準(zhǔn)確，則會(huì)影響天線的匹配，進(jìn)而影響到天線的其他性能參數(shù)及相關(guān)射頻電路的性能。因此，只有準(zhǔn)確知道微帶天線的諧振電阻，才能對(duì)天線進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。目前已有的矩形貼片微帶天線諧振電阻的計(jì)算方法不夠準(zhǔn)確，并且適用的介電常數(shù)和電厚度范圍較窄。所以，研究一種矩形貼片微帶天線諧振電阻的計(jì)算方法很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種矩形貼片微帶天線諧振電阻計(jì)算方法，該方法克服現(xiàn)有技術(shù)中計(jì)算矩形貼片微帶天線諧振電阻準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題，并提供一種準(zhǔn)確度更高的矩形貼片微帶天線諧振電阻的計(jì)算方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種矩形貼片微帶天線諧振電阻計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)、確定所要計(jì)算的矩形貼片微帶天線的物理尺寸及介質(zhì)基片參數(shù)，所述的物理尺寸包括矩形貼片微帶天線的長(zhǎng)度L、寬度W以及矩形貼片微帶天線饋電點(diǎn)到矩形貼片微帶天線中心的距離x₀，所述的介質(zhì)基片參數(shù)包括介質(zhì)基片的介電常數(shù)ε_r、厚度h以及矩形貼片微帶天線的有效介電常數(shù)ε_e；

(2)、計(jì)算該矩形貼片微帶天線邊緣場(chǎng)效應(yīng)引起的擴(kuò)展長(zhǎng)度ΔL與擴(kuò)展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計(jì)算，ΔW以公式(2)計(jì)算：

(3)、計(jì)算該矩形貼片微帶天線的所對(duì)應(yīng)的諧振頻率f₀和品質(zhì)因數(shù)Q_t；

(4)、利用電磁數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)所述矩形貼片微帶天線進(jìn)行仿真分析，以獲得對(duì)應(yīng)的諧振電阻；

(5)、利用步驟(1)-步驟(3)所獲取的數(shù)據(jù)擬合出矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max，其中，矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max的計(jì)算公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數(shù)。

(6)、比較判斷通過(guò)公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻與采用電磁數(shù)值仿真技術(shù)得到的諧振電阻之間的相對(duì)誤差是否小于設(shè)定的閾值，是則確定通過(guò)公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻為最終的矩形貼片微帶天線諧振電阻。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述諧振電阻計(jì)算公式(3)中的待定系數(shù)的具體值通過(guò)全局優(yōu)化算法獲得。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述諧振電阻計(jì)算公式(3)中的待定系數(shù)分別為：

β₁＝425.3253，β₂＝2.0871，β₃＝5.3382，β₄＝96.0506，β₅＝0.7232和β₆＝-2.3528。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的優(yōu)選方案

所述仿真分析選定的矩形貼片微帶天線的物理尺寸的取值范圍為5mm≤L≤150mm，L/2≤W≤L，介質(zhì)基片的介電常數(shù)取值范圍為1.05≤ε_r≤4.5，厚度的取值范圍為0.3mm≤h≤70mm。

本發(fā)明的另一目的是要提供一種矩形貼片微帶天線諧振電阻計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括：

參數(shù)確定模塊，其用于確定所要計(jì)算的矩形貼片微帶天線的物理尺寸及介質(zhì)基片參數(shù)，所述的物理尺寸包括矩形貼片微帶天線的長(zhǎng)度L、寬度W以及矩形貼片微帶天線饋電點(diǎn)到矩形貼片微帶天線中心的距離x₀，所述的介質(zhì)基片參數(shù)包括介質(zhì)基片的介電常數(shù)ε_r、厚度h以及矩形貼片微帶天線的有效介電常數(shù)ε_e；

第一計(jì)算模塊，其用于計(jì)算矩形貼片微帶天線邊緣場(chǎng)效應(yīng)引起的擴(kuò)展長(zhǎng)度ΔL與擴(kuò)展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計(jì)算，ΔW以公式(2)計(jì)算：

第二計(jì)算模塊，其用于計(jì)算該矩形貼片微帶天線的所對(duì)應(yīng)的諧振頻率f₀和品質(zhì)因數(shù)Q_t；

電磁數(shù)值仿真模塊，其用于對(duì)所述矩形貼片微帶天線進(jìn)行仿真分析，以獲得對(duì)應(yīng)的諧振電阻；

數(shù)據(jù)擬合模塊，其用于利用參數(shù)確定模塊、第一計(jì)算模塊及第二計(jì)算模塊所獲取的數(shù)據(jù)擬合出矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max，其中，矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max的計(jì)算公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數(shù)。

以及比較判斷模塊，其用于比較判斷通過(guò)公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻與采用電磁數(shù)值仿真技術(shù)得到的諧振電阻之間的相對(duì)誤差是否小于設(shè)定的閾值，是則確定通過(guò)公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻為最終的矩形貼片微帶天線諧振電阻。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

通過(guò)本發(fā)明所述的計(jì)算方法可以有效地確定矩形貼片微帶天線的諧振電阻，提高了天線的匹配效率，縮短了天線的設(shè)計(jì)周期，并且該計(jì)算方法所適用的矩形貼片微帶天線的介電常數(shù)和電厚度范圍較寬。

附圖說(shuō)明

圖1為矩形貼片微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述計(jì)算方法對(duì)應(yīng)的步驟流程圖；

圖3為本發(fā)明所述計(jì)算方法對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，矩形貼片微帶天線的基本結(jié)構(gòu)為：其包括介質(zhì)基片12、置于介質(zhì)基片12下方的接地板13、置于介質(zhì)基片12上方的矩形貼片11；所述矩形貼片11貼附于介質(zhì)基片12上，矩形貼片微帶天線的相關(guān)參數(shù)應(yīng)包括長(zhǎng)度L、寬度W，介質(zhì)基片12的介電常數(shù)ε_r，厚度h；矩形貼片饋電點(diǎn)到矩形貼片中心的距離x₀，同時(shí)還需要考慮矩形貼片微帶天線邊緣場(chǎng)效應(yīng)后的擴(kuò)展長(zhǎng)度ΔL、擴(kuò)展寬度ΔW。

如圖2所示，本發(fā)明所述矩形貼片微帶天線諧振電阻的計(jì)算方法包括下述步驟：

(1)確定所要計(jì)算的矩形貼片微帶天線的物理尺寸及介質(zhì)基片參數(shù)：包括確定矩形貼片的長(zhǎng)度L和寬度W，介質(zhì)基片的介電常數(shù)ε_r和厚度h，矩形貼片饋電點(diǎn)到矩形貼片中心的距離x₀，矩形貼片微帶天線的有效介電常數(shù)ε_e；其中所述有效介電常數(shù)ε_e以公式(4)計(jì)算：

(2)計(jì)算矩形貼片邊緣場(chǎng)效應(yīng)引起的擴(kuò)展長(zhǎng)度ΔL與擴(kuò)展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計(jì)算，ΔW以公式(2)計(jì)算：

(3)計(jì)算諧振頻率f₀和品質(zhì)因數(shù)Q_t：

式中，c為真空中的光速，

所述品質(zhì)因數(shù)Q_t的計(jì)算方法如下：

式中，c₁以公式(9)計(jì)算：

式中，n₁為介質(zhì)基片的反射系數(shù)，以公式(10)計(jì)算：

所述p以公式(11)計(jì)算：

式中，a₂、a₄和c₂分別為-0.16605、0.00761和-0.0914153，k₀為自由空間波數(shù)，以公式(12)計(jì)算：

所述η為輻射效率，以公式(13)計(jì)算：

(4)用電磁數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)所述矩形貼片微帶天線進(jìn)行仿真分析，獲取其諧振電阻：

具體地，本發(fā)明實(shí)施例采用的電磁數(shù)值仿真技術(shù)是基于有限元法的高頻結(jié)構(gòu)仿真器；具體的，首先在所述仿真器中根據(jù)矩形貼片的物理尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)與厚度等參量構(gòu)建矩形貼片微帶天線的仿真模型，然后基于所要計(jì)算的天線結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的邊界條件、激勵(lì)方式及求解參數(shù)，再然后進(jìn)行仿真計(jì)算并讀取仿真結(jié)果，最后根據(jù)所述仿真結(jié)果得到矩形貼片微帶天線的諧振電阻。優(yōu)選的采所述仿真分析選定的矩形貼片微帶天線的物理尺寸的取值范圍為5mm≤L≤150mm，L/2≤W≤L，介質(zhì)基片的介電常數(shù)取值范圍為1.05≤ε_r≤4.5，厚度的取值范圍為0.3mm≤h≤70mm。

(5)利用所獲取的數(shù)據(jù)擬合出矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max，其計(jì)算公式：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數(shù)。

(6)判斷由公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻與采用電磁數(shù)值仿真技術(shù)得到的諧振電阻之間的相對(duì)誤差是否小于設(shè)定的閾值，若是，則根據(jù)公式(3)計(jì)算矩形貼片微帶天線的諧振電阻。

具體地，先采用所述擬合的公式計(jì)算得到矩形貼片微帶天線的諧振電阻R₁，然后采用電磁數(shù)值仿真技術(shù)獲取所述矩形貼片微帶天線的諧振電阻R₂，接著利用處理器對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并做相應(yīng)的計(jì)算，最后判斷二者之間的相對(duì)誤差是否小于設(shè)定的閾值，若是，則說(shuō)明擬合得到的諧振電阻計(jì)算公式的準(zhǔn)確度滿足要求。因此，采用該諧振電阻計(jì)算公式(3)可以提高計(jì)算所得的諧振電阻的準(zhǔn)確性。同時(shí)待定系數(shù)β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆可通過(guò)全局優(yōu)化算法獲得最優(yōu)的數(shù)值，優(yōu)選β₁＝425.3253，β₂＝2.0871，β₃＝5.3382，β₄＝96.0506，β₅＝0.7232和β₆＝-2.3528。

如圖3所示，本發(fā)明的另一目的是要提供一種矩形貼片微帶天線諧振電阻計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括：

參數(shù)確定模塊，其用于確定所要計(jì)算的矩形貼片微帶天線的物理尺寸及介質(zhì)基片參數(shù)，所述的物理尺寸包括矩形貼片微帶天線的長(zhǎng)度L、寬度W以及矩形貼片微帶天線饋電點(diǎn)到矩形貼片微帶天線中心的距離x₀，所述的介質(zhì)基片參數(shù)包括介質(zhì)基片的介電常數(shù)ε_r、厚度h以及矩形貼片微帶天線的有效介電常數(shù)ε_e；

第一計(jì)算模塊，其用于計(jì)算矩形貼片微帶天線邊緣場(chǎng)效應(yīng)引起的擴(kuò)展長(zhǎng)度ΔL與擴(kuò)展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計(jì)算，ΔW以公式(2)計(jì)算：

第二計(jì)算模塊，其用于計(jì)算該矩形貼片微帶天線的所對(duì)應(yīng)的諧振頻率f₀和品質(zhì)因數(shù)Q_t；

電磁數(shù)值仿真模塊，其用于對(duì)所述矩形貼片微帶天線進(jìn)行仿真分析，以獲得對(duì)應(yīng)的諧振電阻；

數(shù)據(jù)擬合模塊，其用于利用參數(shù)確定模塊、第一計(jì)算模塊及第二計(jì)算模塊所獲取的數(shù)據(jù)擬合出矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max，其中，矩形貼片微帶天線諧振電阻R_max的計(jì)算公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數(shù)。

以及比較判斷模塊，其用于比較判斷通過(guò)公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻與采用電磁數(shù)值仿真技術(shù)得到的諧振電阻之間的相對(duì)誤差是否小于設(shè)定的閾值，是則確定通過(guò)公式(3)計(jì)算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻為最終的矩形貼片微帶天線諧振電阻。

綜上所述，本發(fā)明通過(guò)建立矩形貼片微帶天線諧振電阻的計(jì)算公式，并采用擬合方法以及電磁數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)該計(jì)算公式中的待定系數(shù)進(jìn)行確定，使得采用該公式求得的諧振電阻準(zhǔn)確度高，并且其所適用的矩形貼片微帶天線的介電常數(shù)和電厚度范圍較寬。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。