一种x波段贴片siw喇叭天线的q值优化设计方法
阅读说明：本技术 一种x波段贴片siw喇叭天线的q值优化设计方法 (Q value optimization design method of X-band patch SIW horn antenna ) 是由 汪晓光 王浩川 孙佳栋 马洪泽 韩天成 杨光 于 2021-03-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于微波无源器件领域,具体涉及一种X波段贴片SIW喇叭天线的Q值优化设计方法。本发明从Q值的角度出发,先分别将贴片宽度n和贴片厚度t的变化与有效Q值联系起来拟合得到相应的公式；然后利用MATLAB根据n和t单一参数与有效Q值的关系再次进行公式拟合,从而得到Q值与n和t两者共同的关系曲线以及对应的拟合公式,实现了Q值与n和t的精确定量,据此在不影响器件原有性能的前提下求得最优Q值,将此时的参数作为优化后的X波段贴片SIW喇叭天线参数。本发明最终通过带入函数的方式来快速计算Q值,在保证准确性的同时,可对器件性能进行快速判断,实现了更优化的设计。(The invention belongs to the field of microwave passive devices, and particularly relates to a Q value optimization design method of an X-band patch SIW horn antenna. From the angle of Q value, firstly, respectively linking the change of the width n and the thickness t of the patch with the effective Q value to fit to obtain a corresponding formula; and then carrying out formula fitting again by using MATLAB according to the relation between the single parameters of n and t and the effective Q value, thereby obtaining a relation curve between the Q value and both n and t and a corresponding fitting formula, realizing accurate quantification of the Q value and n and t, obtaining an optimal Q value on the premise of not influencing the original performance of the device, and taking the parameters at the moment as the optimized parameters of the X-waveband patch SIW horn antenna. The invention finally calculates the Q value rapidly by a function-in mode, ensures the accuracy, and can rapidly judge the device performance, thereby realizing more optimized design.)
技术领域
本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种X波段贴片基片集成波导SIW喇叭天线的Q值优化设计方法。
背景技术
随着科技发展进步，微波技术逐渐向小型化，易集成发展。利用基片集成波导技术(SIW)可以有效解决这一问题，相比于传统波导结构，基片集成波导在尺寸上显著减小，结构近似平面利于集成，同时也兼具微带元件的特点。
同时传统透镜天线在天线口径外加载透镜会使器件体积和重量增加，因此通过在口径处加载金属贴片来改变相位可以有效减少体积。
微波谐振电路的品质因数即Q值是反应谐振电路损耗的一个重要量度，在损耗较低的情况下Q值较高。在单独考虑天线腔体结构时，通过考查天线的Q值可以对加载金属贴片喇叭天线的性能优劣进行一个整体的判断。
常用的微波仿真软件如HFSS、CST等都可以对Q值进行运算，但是由于过于繁琐因此本发明从物理含义入手，通过测试Q和金属贴片宽度与厚度关系，得出求解办法，可以对天线的整体性能优劣进行快速的判断。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决加载金属贴片基片集成波导SIW喇叭天线有效Q值量化求解相对繁琐，导致设计时无法做到优化Q值较高的问题；本发明提供了一种X波段贴片基片集成波导SIW喇叭天线的Q值优化设计方法。通过确定并提供Q值与贴片厚度t和金属贴片宽度n的定量关系，从而在满足天线性能不受损的前提下进一步设计使Q值更高。
具体技术方案如下：
一种X波段贴片基片集成波导SIW喇叭天线的Q值优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1、提取欲优化X波段贴片SIW喇叭天线的参数，由于金属贴片的位置与口径H边垂直，并与口径等高，且贴片的数量为奇数全部贴片关于口径H面的中垂线成对称结构，金属贴片的宽度由n到0.5n从天线H面中心向外部等比例缩减，其中金属贴片厚度为t、中间金属贴片宽度为n。
步骤2、由于在金属贴片厚度小于0.5mm且金属贴片的总宽度不超过天线口径H面的一半的情况下，天线指标符合标准，据此以确定n和t的取值范围。
步骤3、将以上参数在HFSS内进行建模，通过数理统计方法：
利用仿真得到宽度n与Q值的关系曲线，进行多项式拟合得出对应的拟合公式，可以看出n和Q值存在递减关系。
利用仿真得到厚度t与Q值的关系曲线，采用傅里叶函数进行拟合得出对应的拟合公式，可以看出t与Q值成周期关系。
步骤4、最终同时改变n和t，通过上述步骤得到的数据在MATLAB上画出三维散点图，依据步骤3所得n和t单一参数与Q值的函数关系和曲线，采用系数是关于厚度t的傅里叶函数，宽度n为基础的二次函数，改进傅里叶函数进行拟合，并得到n和t两个参数与Q值的拟合曲面与拟合公式。
步骤5、以步骤4所得函数在步骤2确定的n和t取值范围内求解最优Q值，即通过将步骤2确定的n和t值带入步骤4最终所得拟合公式，得出具体最优Q值，此时对应的n和t的值即为优化Q值后的X波段贴片SIW喇叭天线的参数。
本发明所选取的参数(n和t)皆为加贴片SIW喇叭天线中对Q值性能最有影响的参数，喇叭口径参数确定的情况下，其余关键参数本发明的求解方法全部涉及或影响可忽略不计，因此可以保证求解方法的准确性，最终通过带入最终拟合函数的方式来快速计算Q值，对器件性能进行快速判断。
本发明从Q值的角度出发，通过研究X波段金属贴片SIW喇叭天线的Q值与参数(贴片宽度n和厚度t)之间的关系，将参数的变化与有效Q值联系起来，以快速对Q值的大小变化进行考查，从而判断所设计的器件性能优劣，并且可以分析出各参数对环行器性能的影响以及影响趋势，对参数的调整具有指导性作用，加快了设计和测试周期。首先，利用三维电磁仿真软件HFSS对传输线模型进行逐步的仿真分析，从而得到较为可靠的实验数据，并利用MATLAB进行综合参数公式拟合，从而得到Q值与n和t的关系曲线以及对应的综合拟合公式，缩小了传统设计公式所给出的各项参数范围，给出了更精确的定量关系。
综上所述，本发明在X波段金属贴片SIW喇叭天线设计中，提供一种Q值与贴片参数定量关系，以及高Q值对应的定量参数设计关系式，以使得设计出的X波段金属贴片喇叭天线在其他参数满足的前提下，其Q值尽量高，从而损耗尽量小，实现了更优化的设计。
附图说明
图1是实施例X波段加载金属贴片SIW喇叭天线的立体图。
图2是实施例X波段加载金属贴片SIW喇叭天线的主视图。
图3是实施例X波段加载金属贴片SIW喇叭天线的左视图。
图4是实施例X波段加载金属贴片SIW喇叭天线的俯视图。
图5为实施例未加金属贴片的SIW喇叭天线回波损耗图。
图6为实施例加金属贴片的SIW喇叭天线回波损耗图。
图7为实施例未加金属贴片的SIW喇叭天线波瓣图。
图8为实施例加金属贴片的SIW喇叭天线波瓣图。
图9为实施例金属贴片宽度n与有效Q值关系。
图10为实施例贴片厚度与有效Q值关系。
图11为实施例贴片厚度t及宽度n与有效Q值关系。
图12为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
按照前述步骤，如图12所示，采用以下示例基片集成波导喇叭天线以一个工作中心频率为9.45GHz的基片集成波导喇叭天线作为例对本发明进行验证和说明，其工作性能为回波损耗在9.4GHz～9.5GHz的工作带宽内均小于-25dB。基本结构分为喇叭天线和金属贴片两部分。喇叭天线部分采用基片集成波导结构。金属栅为以中心宽度n为基础，向两侧按比例递减分布。该示例立体图及S参数曲线及波瓣图见图1、图2、图3、图4、图6、图8。其中未加金属贴边的等尺寸喇叭天线S参数曲线及波瓣图见附图5、图7。
首先，根据本实施例确定的参数范围进行变化，变化范围分别为：n(中心宽度片)，变化范围2～4mm，步长0.25mm；t(贴片厚度)，变化范围0.01～0.5mm，步长0.07mm；λ为天线内部波长；
将以上参数在HFSS内进行建模，通过数理统计方法：
利用HFSS仿真得到宽度n与Q值的关系曲线，进行多项式拟合得出对应的拟合公式：
利用HFSS仿真得到厚度t与Q值的关系曲线，可以看出t与Q值成周期关系，采用傅里叶函数进行拟合得出对应的拟合公式：
Q＝7578-40cos(17.76t)+20sin(17.76t)+40cos(2*17.76t)+26sin(2*17.76t)
最终同时改变n和t，通过得到的实验数据在MATLAB上画出三维散点图，通过分析利用改进的傅里叶函数进行拟合并得到拟合曲面与拟合公式，函数是以宽度n为基础的二次函数，其系数是关于厚度t的傅里叶函数，具体函数如下
利用HFSS进行变量仿真，记录下仿真结果并计算出有效Q值。图9和图10所示为有效Q值随单一参数变化的情况，图中各点为通过仿真结果计算出的各参数变化范围内有效Q值的大小，图中曲线为本实施例所给出的有效Q值随各参数变化的关系曲线。
利用上述SIW喇叭天线的有效Q值计算方法，求解其有效Q值。取贴片宽度5.25mm，厚度0.02mm，代入求解式求解出其有效Q值为7800.84。
使用仿真软件HFSS对求解结果进行验证。按照上述参数对环行器进行设置，运行软件并记录有效Q值为7803.83。
从图中可以看到，曲线的变化趋势和幅值大小与各点的分布基本吻合。图11为有效Q值随t和n双参数变化的三维散点图，各点对应同时满足两个参数时有效Q值的大小，本实施例所给出的函数关系图像为一三维曲面。如图所示，该曲面可以覆盖几乎全部的散点。通过以上实施例仿真软件测试出的结果可见与计算出的结果非常接近，因而可以证明本发明所提出的X波段加载金属贴片基片集成波导喇叭天线有效Q值的求解方法的准确性。
综上所述，本发明从Q值的角度出发，通过数理统计方法及软件计算，通过研究X波段金属贴片喇叭天线的Q值与贴片宽度n和贴片厚度t之间的关系(厚度t与Q值存在周期关系，宽度n与Q值存在递减关系)，而其它参数对Q值影响较小的方面入手，先分别将参数n和t的变化与有效Q值联系起来拟合得到相应的公式；然后利用MATLAB根据n和t单一参数与有效Q值的关系再次进行公式拟合，从而得到Q值与n和t两者共同的关系曲线以及对应的拟合公式，实现了Q值与n和t的精确定量，据此在不影响器件原有性能的前提下求得最优Q值，将此时的参数作为优化后的X波段贴片SIW喇叭天线参数。本发明最终可通过带入函数的方式来快速计算Q值，在保证准确性的同时，可对器件性能进行快速判断，加快了该类金属贴片天线的设计和测试周期，实现了更优化的设计。