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工程师都能设计的5.8GHz 超表面天线

1年前浏览232

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。


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:


仿真的超表面上的电场,输入功率1W



zox面电场


zoy面电场


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。



天线的s11,阻抗按50Ω算



3D方向图



馈源结构,是一个简单的同轴探针馈电的贴片天线。


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。


☆ END ☆      


来源:EEDesign
电源电路芯片电场理论控制
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首次发布时间:2025-07-16
最近编辑:1年前
EE小新
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