一种改进的微带天线输入阻抗计算方法(图文)

1、一种改良的微带天线输入阻抗计算方法(图文)论文导读：本文通过建立双微带天线并联模型，提出了一种改良的输入阻抗计算方法，有效地消除了-间隔馈电模型的固有相位误差；计算结果说明该算法可提高高次模式下阻抗和驻波比计算的精度。关键词：时域有限差分法，电压相位误差，天线输入阻抗，-间隔馈电模型1引言时域有限差分法是近年来开展很快的一种电磁场数值计算方法，可以用于天线的近场、远场仿真，以及天线参数的计算，由于它的计算原理简单，计算的结果直观，和频域计算方法相比，FDTD和离散付氏变换算法结合可以高效的处理宽频带电磁问题，所以倍受人们关注。R.Luebbers【4】应用FDTD较全面地分析了单极子天线的特性

2、，给出了两种鼓励源模型，同轴磁流鼓励和间隙鼓励模型，并用于天线阻抗计算。间隙鼓励模型及其计算公式可以有效地计算微带天线的输入阻抗，但在计算的时候电压存在固有的相位误差。文献【4】对间隙鼓励模型进行了改良和简化，推导了一种天线输入阻抗新的计算公式，该方法简洁，有效，公式物理意义明确。但仍旧存在固有的电压相位误差，对于微带天线这种输入阻抗对馈电结构敏感的天线，将带来计算误差。我们通过建立一种并联的微带天线的没有电压相位误差的馈电模型。推导了其计算公式，并通过计算矩形贴片天线验证了其正确性和有效性。2-间隔馈电模型的误差分析2.1 固有的电压相位误差如图1所示，微带天线的同轴间隙馈电模型，但其实质上

3、的鼓励源是加在同轴线内导体和零电位平面之间如图2。如果直接在微带天线的辐射贴片和零电位平面之间接入电压，那么电压沿内导体穿过介质层的相位滞后就会被忽略，造成误差，同时传输线内导体无法引入到剖分网格之中进行计算，而只能根据馈电波导的特征阻抗对计算结果进行修正文献【1】。如果采用文献【4】的做法，虽然上述问题会有一定程度的改良，但由于微带介质层较薄，在算法的网格剖分中，一般为了较准确模拟介质层中的场，采用不同的剖分。根据文献【1】的做法要在馈电探针下底和地面之间加纵向电压，如图1所示。这样可以将探针引入计算。但对探针的截断将造成物理上的不连续，这将使探针下底和地面之间产生附加电容，造成谐振频率计算

4、不准确见第四局部，同时这种方法只是相对与文献【2】改善了相位滞后的影响，并未彻底解决。3改良的计算模型3.1 计算模型如图2所示，鼓励源由z向鼓励改成符合实际的向鼓励，在地面上为常数，同轴波导馈入处开4个网格的缝隙，这样除了这四个网格中的加鼓励不为零以外，其余在该面上的全为零。考虑如图2的对称结构，如果是如图3的馈电形式，那么可以看成两个并联的微带天线，如果将地面扩大到无穷，那么可以认为两个天线无偶合，且相对馈源并联。图2 地平面图3 并联微带模型3.2 计算公式设平面是地平面，那么源分别加在如图2的网格上。馈入电场分别加在内导体相临的四个网格线上，假设内导体和地面的馈入电压为，为保证内导体和

5、地面之间等电位，向馈入电场为。表示电场差分形式为：(1)(2)(3)(4)将电场时间差分表达式带入以上四式，为了消除与环路电流积分运算无关的分量。科技论文。将得到：实际上输入电压为：实际上输入电流为：从图3中可以看出，地面两侧完全镜相对称，馈入源也相同，所以输入电流大小相等，方向相反。外加馈入电压为：将将上式两边FFT变换并化简得到：考虑到两个天线并联那么输入阻抗应该是计算所得阻抗的一半，表达式为：式中心频率，。为到达好的吸收效果，选用8层完全匹配吸收层。吸收层内电磁场采用指数差分格式，其它网格采用Yee差分格式。微带贴片天线馈电贴片为，厚度为。设馈点位于处，如图4所示。网格采用长方体，网格尺

6、寸为：,网格剖分保证频率在以下可以精确计算根据稳定性条件。馈电方向的精确剖分，以保证尽量减少不必要的固有误差。分别使用精确计算软件XFDTD，密网格剖分的HFSS9.2，文献【4】和本文推导的算式加以计算得到结论如下：1、采用XFDTD软件采用相同网格剖分，在馈点处参加密子网格剖分，提高计算精度，馈电方式为-间隔馈电模型。正弦调制的高斯脉冲源参加。得到的输入电阻，电抗如图5所示。：图5、XFDTD软件计算阻抗图图6、HFSS9.2软件计算阻抗图2、采用HFSS9.2软件采用密网格剖分，馈电方式为同轴线馈电。科技论文。科技论文。1G到4G扫频。得到的输入电阻，电抗如图6所示。3、将HFSS数据导

7、出，与文献【4】中-间隔馈电模型，本文推导的算法相比。输入电抗比拟如图7所示。图7、电抗比拟图图8、电阻比拟图4、将HFSS数据导出，与文献【4】中-间隔馈电模型，本文推导的算法相比。输入电阻比拟如图8所示。5、将HFSS数据导出，与文献【4】中-间隔馈电模型，本文推导的算法相比。S11参数比拟如图9所示。图9、驻波比比拟图可以看出-间隔馈电模型可以准确的计算贴片天线主模工作频率，但在高次模式计算时出现较大的误差。这是由于固有的模型误差导致的，通过本文的计算方法，根本可以消除误差，使之可以准确得分析高次模。根据上图的计算结果可以验证计算方法的正确性。在实际计算中可以根据镜相原理，将图2省去一半

8、加以剖分，那么不会增加计算所需内存。5 结论文中针对利用FDTD算法仿真微带天线输入阻抗问题，分析了间隙馈电模型固有的相位误差，提出了一种新的计算模型，推导了该模型下的阻抗计算公式，该模型有效的消除了间隙馈电模型中的相位误差，能够比拟准确有效地仿真得到高次模式下的阻抗特性。这种方法不仅可以用于微带天线，还可以用于其它相似馈电结构的天线计算。参考文献：【1】 A Reinei,B Jecko.Analysis of microstrip patchantennas using finite-difference time-domain method.IEEE Trans.AntennasPropagat,1989,37(11):1361-1369.【2】 James G. Maloney ,Glenn S Simith,Waymind ,RScott,Jr.,Accurate computation of the radiation from simple antenna using thefinite-difference time-domain method.IEEE Trans.Antennae propagat.,July1990,38(7):1059-1068.【3】 R J Luebbers,LChen,T Uno,S Adachi .FDTD calc