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车用制品技术与应用 康永·基于 HFSS 软件轮胎胎压监测系统微带天线的设计

 
∇× H m = jωε 0 E m  重要指标，辐射电阻越大则天线辐射能力越强。当天
    线的尺寸很小时，因其辐射电阻小，则损耗电阻大，
∇× E m = − jωµ H m − J 
 0 m  (15) 故天线的效率低。当天线的电尺寸和波长相比拟时，
∇• D = 0 
m
  辐射电阻较大即损耗电阻较小，天线的效率高。因此
∇• B = ρ m 
m
在实际中很多天线都选择四分之一波长。
通过比较式 (14)和式(15)，可以发现这两个方程
增益是指当在输入功率相等的条件下，实际天线
是对偶方程，因此根据上面推倒的电基本振子辐射场，
与理想的无方向性天线在空间相同点所产生的信号功
利用对偶定律，可以得出磁偶极子的辐射场，如式 (16)
率密度之比。通常用 G 表示，如式 (19) 所示 [8] ：
所示。
2
Idl ε 1  G = E max
H = j 0 cos (1+ )e − jkr  E 2 (P in 相同 ) (19)
θ
r
π
2 r 2 µ 0 jkr  0
Idl ε 1 1  它定量描述了一个天线把输入功率集中辐射的程
) 
H = j 2 r λ µ 0 sin (1+ jkr − k r  度，是用来衡量一个特定的方向收发信号的能力。因
θ
θ
2 2
H = 0 0   (16) 此显然，天线的增益与方向图密切相关，方向图主瓣
ϕ
E = E = 0   越窄旁瓣越小则它的增益越高。
θ
r
Idl 1 
θ
E = j sin (1+ )e − jkr  天线的增益与方向性系数两个物理量的关系 ：
ϕ
2 r λ jkr 
 G=Dη。
 1.5 输入阻抗与回波损耗
1.3 方向图与方向性系数
天线的输入阻抗是指在天线馈电端的输入电压与
天线的方向图是指在距离天线一定距离处，辐射
输入电流之比。天线与馈线相连接的最佳形式是天线
场的相对场强（归一化模值）随着方向变化的曲线图，
的输入阻抗为纯电阻而且等于馈线的特性阻抗，这样
通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的方向
在馈线的终端就没有功率的反射和在馈线上的驻波，
图表示。为了能对各种各样的天线方向图特性进行比
天线的输入阻抗随着频率变化也平缓。所以天线匹配
较，规定了一些特性参数，这些参数有 ：主瓣宽度、
的主要目的就是消除天线输入阻抗中的电抗分量和使
旁瓣宽度、前后比以及方向性系数等 [6] 。
电阻分量尽可能的等于馈线的特性阻抗。通常天线的
虽然方向图在一定程度上反映天线的定向辐射情
输入阻抗设为 50 Ω。天线匹配的好坏通常用反射系数、
况，但是由于这些参数未能表示出辐射在整个空间的
回波损耗、驻波比和行波系数这几个参量描述。这几
总效果，因此这些参数都不能单独表示天线集束的能
个参量之间有一定的数值关系，一般用一个表示即可，
力。为了能更加准确的比较不同天线的方向特性，定 [9]
本文主要分析天线的回波损耗 。
义了天线的方向性系数。天线的方向性系数为在离天
反射系数是指天线的输入端的输入电压与反射电
线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流
压之比，一般用 Γ 表示，如式 (20)：
密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离 Z − Z
in
处的辐射功率流密度之比 [7] 。通常以 D 表示，如式 (17) Γ = Z + Z 0 (20)
所示 in 0
其中 Z in 是输入阻抗，Z 0 是特性阻抗。
2
E max 实际工程中最常用的是回波损耗，用 S 11 表 示，
D= 2 (Pr 相同 ) (17)
E 0 是反射系数的 dB 倍数，如式 (21)：
1.4 效率与增益 S = 20lg Γ (21)
11
天线的效率定义为天线的辐射功率与输入功率之 电压驻波比 (VSWR) 是指波腹电压与波节电压之
比，用符号 η A 表示，如式 (18)所示： 比，与反射系数 Γ 的关系如式 (22)：
P P R 1+ Γ
η = P Σ i = P + Σ P l = R + Σ R l (18) VSWR = 1− Γ (22)
A
Σ
Σ
因此辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个 行波系数是驻波比的倒数。
2019 第 45 卷 ·21·
年