5.8GHz 高增益Fabry-Perot 天线——科创限定版
三水合番 2022-2-4原创 研究了个寂寞
关键词
天线Fabry-Perot天线

大概一年半前,我曾经抽空仿过一个很有意思的天线。这两天又把它翻出来完善了一下,值此新春佳节,把它发到科创上,就当是送给科创的新年礼物。这个天线的特点是,它用了一个超表面,上面有10×10共计一百个单元,每个单元的形状都是科创的logo,借此祝科创长命百岁😂

图片1.png

左:天线结构。右:超表面单元结构。


这个天线由两块FR-4 的PCB 组成,每块尺寸都是16x16cm,厚度2mm。上面的PCB 是一个超表面,红色部分是金属。下面的PCB 作为金属地,同时在中间印了一个简单的贴片天线,作为馈源。两块PCB 要隔空架起来,它们的间距是26mm。

这是一个Fabry-Perot 天线,这类天线的特点是结构很简单,增益高,带宽较窄,厚度大约为半波长。它的原理通俗的说就是,用一个完全反射的金属面,和一个半透半反的超表面,把他们之间的电磁波“压扁”。就像在很窄的方波导里面,电磁波的波长会变得很长一样。这个被压扁的电磁波,可以在很大尺寸内保持相位一致,而大尺寸的相位相同的口径面,就可以产生高增益的辐射。这个半透半反的超表面,可以用一系列偶极子实现。偶极子的形状可以很灵活的调整,比如改成论坛logo的形状。

这个天线工作在5.8GHz,增益17.5 dBi,3dB增益带宽270MHz (4.7%),匹配还算凑合。下面把主要仿真结果都列出来,供大家参考:

xoy电场.gif

仿真的超表面上的电场,输入功率1W

zox电场.gif

zox面电场

zoy电场.gif

zoy面电场

增益.png

沿z轴正方向的增益

这个天线的directivity能达到19.2dBi,还算不错。理论上,相同尺寸的等幅同相口径的增益是20.8dBi,也就是说这个天线按directivity算的口径效率是69%。但是因为FR-4在5.8GHz的损耗很大,所以gain就只有17.7dBi了。再考虑到失配的损耗,realized gain又会掉到17.5dBi。实际加工出来可能还会再掉1dB。

s参数.png

天线的s11,阻抗按50Ω算

方向图.png

3D方向图

馈源.png

馈源结构,是一个简单的同轴探针馈电的贴片天线。


[修改于 4 个月前 - 2022-02-05 22:26:37]

来自:电子信息 / 电子技术电子信息 / 无线电严肃内容:专业科普
8
 
13
虎哥
3个月20天前 修改于 3个月20天前
1楼

楼主洪福齐天,寿比南山。大家喜闻乐见的仿真模型和PCB文件,是不是忘了上传😂

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杂工1544
3个月20天前
2楼

看起来好有意思,lz能否更详细的介绍一下原理与设计方法?

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1
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三水合番作者
3个月19天前
3楼
引用虎哥发表于1楼的内容
楼主洪福齐天,寿比南山。大家喜闻乐见的仿真模型和PCB文件,是不是忘了上传😂

上传仿真文件:

attachment icon kcLogo.aedt 317.50KB AEDT 21次下载

我用的软件是ANSYS Electronics Desktop 2021 R2版里面的HFSS。这个仿真文件有个问题是,它跑起来会用到最多70多G的内存……因为这个模型小细节比较多。

PCB文件我没有弄,有人想加工的话可以从仿真文件里导出。

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量子隧道
3个月19天前
4楼

看动图,中间和边缘相位已经相差接近180度了吧?

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三水合番作者
3个月19天前 修改于 3个月19天前
5楼
引用杂工1544发表于2楼的内容
看起来好有意思,lz能否更详细的介绍一下原理与设计方法?

通俗的原理就像顶楼里说的,是用两个表面把电磁波“压扁”。

设计的时候主要调整的是两个表面的间距,和每一个logo的大小。表面间距控制电磁波的波长,两个表面间距越小,电磁波就被“压得越扁”(波长越长),不过间距太小的话会直接把电磁波“压没”(截止),就不辐射了。logo的大小控制表面的透射率,在谐振的时候反射最强,透射最小,更小的logo透射更多(更大的logo透射似乎也会更多,不过一般用更小的logo来增强透射)。设计的时候要让电磁波波长大于等于天线尺寸,透射率保证天线边缘的电磁波强度可以忽略。实际操作的时候,我是随便画一个尺寸大概合适的模型,然后挂一个优化😂

这个天线的严谨的原理,我比较喜欢的版本是把它解释成一个2D漏波天线,这两篇论文解释的比较好:

attachment icon 2-D Periodic Leaky-Wave Antennas—Part I Metal Patch Design.pdf 2.19MB PDF 36次下载 预览

attachment icon 2-D Periodic Leaky-Wave Antennas—Part II Slot Design.pdf 1.97MB PDF 26次下载 预览


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20!Dopaminor
3个月19天前 修改于 3个月19天前
6楼

贴片天线也可以做成镂空logo的形状

可以用周期性边界条件加速部分调参过程

调整pcb厚度增加增益

我是随便画一个尺寸大概合适的模型,然后挂一个优化”   挺壕的,那么大一个模型,跑一次要多久?



另外征集一个想法:有没有什么信仰符号,画在天线上,会让人觉得信号能变强?


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yuhang
3个月17天前
7楼
引用20!Dopaminor发表于6楼的内容
贴片天线也可以做成镂空logo的形状可以用周期性边界条件加速部分调参过程调整pcb厚度增加增益“我是...

卍         


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德国球
20天17时前
8楼
引用20!Dopaminor发表于6楼的内容
贴片天线也可以做成镂空logo的形状可以用周期性边界条件加速部分调参过程调整pcb厚度增加增益“我是...

信仰?那只眼睛

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