本發明涉及無線電通信領域的天線技術，具體為一種矩形貼片微帶天線諧振電阻的計算方法及系統。

背景技術：

對于無線電通信系統，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點受到人們的青睞。諧振電阻作為微帶天線的重要參數之一。若諧振電阻分析不準確，則會影響天線的匹配，進而影響到天線的其他性能參數及相關射頻電路的性能。因此，只有準確知道微帶天線的諧振電阻，才能對天線進行有效的設計。目前已有的矩形貼片微帶天線諧振電阻的計算方法不夠準確，并且適用的介電常數和電厚度范圍較窄。所以，研究一種矩形貼片微帶天線諧振電阻的計算方法很有必要。

技術實現要素：

鑒于已有技術存在的缺陷，本發明的目的是要提供一種矩形貼片微帶天線諧振電阻計算方法，該方法克服現有技術中計算矩形貼片微帶天線諧振電阻準確度不高的問題，并提供一種準確度更高的矩形貼片微帶天線諧振電阻的計算方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案：

一種矩形貼片微帶天線諧振電阻計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

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

(2)、計算該矩形貼片微帶天線邊緣場效應引起的擴展長度ΔL與擴展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計算，ΔW以公式(2)計算：

(3)、計算該矩形貼片微帶天線的所對應的諧振頻率f₀和品質因數Q_t；

(4)、利用電磁數值仿真技術，對所述矩形貼片微帶天線進行仿真分析，以獲得對應的諧振電阻；

(5)、利用步驟(1)-步驟(3)所獲取的數據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的計算公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數。

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

進一步地，作為本發明的優選方案

所述諧振電阻計算公式(3)中的待定系數的具體值通過全局優化算法獲得。

進一步地，作為本發明的優選方案

所述諧振電阻計算公式(3)中的待定系數分別為：

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

進一步地，作為本發明的優選方案

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，介質基片的介電常數取值范圍為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算系統，其特征在于，包括：

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

第一計算模塊，其用于計算矩形貼片微帶天線邊緣場效應引起的擴展長度ΔL與擴展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計算，ΔW以公式(2)計算：

第二計算模塊，其用于計算該矩形貼片微帶天線的所對應的諧振頻率f₀和品質因數Q_t；

電磁數值仿真模塊，其用于對所述矩形貼片微帶天線進行仿真分析，以獲得對應的諧振電阻；

數據擬合模塊，其用于利用參數確定模塊、第一計算模塊及第二計算模塊所獲取的數據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的計算公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數。

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

與現有技術相比，本發明的有益效果：

通過本發明所述的計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，縮短了天線的設計周期，并且該計算方法所適用的矩形貼片微帶天線的介電常數和電厚度范圍較寬。

附圖說明

圖1為矩形貼片微帶天線的結構示意圖；

圖2為本發明所述計算方法對應的步驟流程圖；

圖3為本發明所述計算方法對應的結構框圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，矩形貼片微帶天線的基本結構為：其包括介質基片12、置于介質基片12下方的接地板13、置于介質基片12上方的矩形貼片11；所述矩形貼片11貼附于介質基片12上，矩形貼片微帶天線的相關參數應包括長度L、寬度W，介質基片12的介電常數ε_r，厚度h；矩形貼片饋電點到矩形貼片中心的距離x₀，同時還需要考慮矩形貼片微帶天線邊緣場效應后的擴展長度ΔL、擴展寬度ΔW。

如圖2所示，本發明所述矩形貼片微帶天線諧振電阻的計算方法包括下述步驟：

(1)確定所要計算的矩形貼片微帶天線的物理尺寸及介質基片參數：包括確定矩形貼片的長度L和寬度W，介質基片的介電常數ε_r和厚度h，矩形貼片饋電點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ε_e；其中所述有效介電常數ε_e以公式(4)計算：

(2)計算矩形貼片邊緣場效應引起的擴展長度ΔL與擴展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計算，ΔW以公式(2)計算：

(3)計算諧振頻率f₀和品質因數Q_t：

式中，c為真空中的光速，

所述品質因數Q_t的計算方法如下：

式中，c₁以公式(9)計算：

式中，n₁為介質基片的反射系數，以公式(10)計算：

所述p以公式(11)計算：

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

所述η為輻射效率，以公式(13)計算：

(4)用電磁數值仿真技術對所述矩形貼片微帶天線進行仿真分析，獲取其諧振電阻：

具體地，本發明實施例采用的電磁數值仿真技術是基于有限元法的高頻結構仿真器；具體的，首先在所述仿真器中根據矩形貼片的物理尺寸、介質基片的介電常數與厚度等參量構建矩形貼片微帶天線的仿真模型，然后基于所要計算的天線結構設置相應的邊界條件、激勵方式及求解參數，再然后進行仿真計算并讀取仿真結果，最后根據所述仿真結果得到矩形貼片微帶天線的諧振電阻。優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，介質基片的介電常數取值范圍為1.05≤ε_r≤4.5，厚度的取值范圍為0.3mm≤h≤70mm。

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

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數。

(6)判斷由公式(3)計算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻與采用電磁數值仿真技術得到的諧振電阻之間的相對誤差是否小于設定的閾值，若是，則根據公式(3)計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算得到矩形貼片微帶天線的諧振電阻R₁，然后采用電磁數值仿真技術獲取所述矩形貼片微帶天線的諧振電阻R₂，接著利用處理器對兩組數據進行讀取并做相應的計算，最后判斷二者之間的相對誤差是否小于設定的閾值，若是，則說明擬合得到的諧振電阻計算公式的準確度滿足要求。因此，采用該諧振電阻計算公式(3)可以提高計算所得的諧振電阻的準確性。同時待定系數β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆可通過全局優化算法獲得最優的數值，優選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算系統，其特征在于，包括：

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

第一計算模塊，其用于計算矩形貼片微帶天線邊緣場效應引起的擴展長度ΔL與擴展寬度ΔW，其中，ΔL以公式(1)計算，ΔW以公式(2)計算：

第二計算模塊，其用于計算該矩形貼片微帶天線的所對應的諧振頻率f₀和品質因數Q_t；

電磁數值仿真模塊，其用于對所述矩形貼片微帶天線進行仿真分析，以獲得對應的諧振電阻；

數據擬合模塊，其用于利用參數確定模塊、第一計算模塊及第二計算模塊所獲取的數據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的計算公式為：

式中，β₁、β₂、β₃、β₄、β₅和β₆為待定系數。

以及比較判斷模塊，其用于比較判斷通過公式(3)計算所得的矩形貼片微帶天線諧振電阻與采用電磁數值仿真技術得到的諧振電阻之間的相對誤差是否小于設定的閾值，是則確定通過公式(3)計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，本發明通過建立矩形貼片微帶天線諧振電阻的計算公式，并采用擬合方法以及電磁數值仿真技術對該計算公式中的待定系數進行確定，使得采用該公式求得的諧振電阻準確度高，并且其所適用的矩形貼片微帶天線的介電常數和電厚度范圍較寬。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。