磁電天線寬帶化方法
1.本發明屬于磁電天線寬帶化技術領域，涉及一種磁電天線寬帶化方法。
背景技術：
2.傳統的金屬天線具有嚴謹精確的金屬結構，導致天線尺寸需要與電磁波長相當，保持一定的長度才能以適當頻率諧振，從而有效地發射或接收所需要的電磁波。金屬天線的這種工作原理從本質上限制了天線的小型化。典型的小型化天線的尺寸也要超過十分之一波長。近些年，經過探索電磁波輻射和接收的新機制、新機理，出現了一種具有新的輻射機理的磁電天線。這種磁電天線由壓電/鐵磁薄膜異構體構成。通過電壓激勵，壓電薄膜產生聲波，并通過壓電/鐵磁界面的應變傳遞，引發鐵磁薄膜的時變磁流，實現電磁波的輻射。反之，磁電天線感應電磁波的磁場，導致壓電薄膜的電壓輸出。這種天線工作的時候是基于聲波的機械共振頻率而不是電磁波共振。同樣的頻率下，波速越低，尺寸越小。由于聲波的波速比電磁波的波速小4-5個數量級，因此具有新機理的磁電天線可十分有效的實現天線小型化。在相同諧振頻率且性能沒有下降的條件下，磁電天線比傳統金屬天線的尺寸可縮減10-100倍。
3.雖然磁電天線可以有效的實現天線的小型化，但由于磁電天線的工作原理是基于聲波諧振，故存在帶寬窄的限制問題，使其不能滿足通信應用場景的需求。經過檢索，現有技術中未發現有研究人員給出解決磁電天線窄帶化問題的有效方法。
技術實現要素：
4.本發明的目的是提供一種磁電天線寬帶化方法，采用本發明提供的方法能夠提高磁電天線的帶寬。
5.本發明所采用的技術方案是，磁電天線寬帶化方法，具體包括如下步驟：
6.步驟1，采用矢量網絡分析儀vna測試出磁電天線的s11參數曲線；
7.步驟2，根據步驟1測量得到的s11參數曲線提取mbvd模型參數；
8.步驟3，根據步驟2所得結果，在ads中建立磁電天線mbvd仿真模型，對建立的磁電天線mbvd仿真模型進行改進，分析改進后的磁電天線mbvd仿真模型對單個磁電天線帶寬的影響。
9.本發明的特點還在于：
10.步驟1的具體過程為：將標準增益的喇叭天線放置在待測磁電天線的遠場位置，并將喇叭天線、磁電天線通過傳輸線分別與矢量網絡分析儀vna的兩個端口連接。
11.步驟1中，遠場距離必須滿足其中d為喇叭天線與磁電天線之間的距離，d為待測磁電天線的口徑，λ為所測的電磁波波長。
12.步驟2的具體過程為：所述磁電天線mbvd模型參數包括靜態電容c0、動態電容cm、動態電感lm、動態電阻rm、電極損耗rs、介電損耗r0；
13.靜態電容c0的提取過程為：
14.通過矢量網絡分析vna測量的s11參數幅值和相位轉化為z參數的實部ri和虛部xi，通過z參數讀取串聯諧振點fs和并聯諧振點f
p
；取遠離串并聯諧振點處1ghz以外的n個頻點fi處的阻抗的平均值，得到c0，計算公式如下：
[0015][0016]
動態電容cm的提取過程為：
[0017][0018]
其中，r＝[(f
p
/fs)
2-1]-1
；
[0019]
動態電感lm的提取過程為：
[0020][0021]
從s11參數曲線圖中讀取從曲線峰值下降3db的帶寬f
δ3db
，計算fs和f
p
處的q值，計算公式如下：
[0022][0023][0024]
通過如下公式(6)～(8)計算rs、r0、rm：
[0025][0026][0027][0028]
步驟3中，對建立的磁電天線mbvd仿真模型進行改進的方式為：對磁電天線分別進行不同電感的串并聯和不同電容的串并聯；
[0029]
根據改進后的磁電天線s11參數曲線分析不同電路對磁電天線寬帶的影響，通過對磁電天線s11參數曲線分析可知，對磁電天線串聯不同的電感能夠提高天線帶寬。
[0030]
本發明的有益效果如下：
[0031]
1.本發明拓寬磁電天線帶寬的方法過程簡單有效不繁瑣。
[0032]
2.由于本發明拓寬磁電天線帶寬的方法中所使用的電感電容元件簡單且常見，使得本發明有效降低了成本。
[0033]
3.由于本發明不僅僅可以拓寬本實施例所述的磁電天線的帶寬，對于拓寬其它類型的磁電天線的帶寬同樣適用，使得本發明泛化性強。
附圖說明
[0034]
圖1為本發明磁電天線寬帶化方法的實現流程圖；
[0035]
圖2為本發明磁電天線寬帶化方法搭建的測試平臺；
[0036]
圖3為本發明磁電天線寬帶化方法對實物測量得到的s11參數曲線；
[0037]
圖4為本發明磁電天線寬帶化方法中所涉及的mbvd模型圖；
[0038]
圖5為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線mbvd擬合的s11參數曲線；
[0039]
圖6為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線串聯電感的電路圖；
[0040]
圖7為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線串聯不同電感的s11參數曲線圖；
[0041]
圖8為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線并聯電感的電路圖；
[0042]
圖9為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線并聯不同電感的s11參數曲線圖；
[0043]
圖10為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線串聯電容的電路圖；
[0044]
圖11為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線串聯不同電容的s11參數曲線圖；
[0045]
圖12為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線并聯電容的電路圖；
[0046]
圖13為本發明磁電天線寬帶化方法中磁電天線并聯不同電容的s11參數曲線圖。
[0047]
圖中，1.矢量網絡分析儀vna，2.顯示器，3.光學顯微鏡，4.探針座，5.gsg探針，6.磁電天線單元，7.鉗式磁鐵，8.電源，9.標準增益的喇叭天線。
具體實施方式
[0048]
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
[0049]
本發明磁電天線寬帶化方法，如圖1所示，具體包括如下步驟：
[0050]
步驟1，搭建測試平臺，本發明的實施例中的測試平臺裝置如圖2所示，圖2中的1表示矢量網絡分析儀vna，2表示顯示器，3表示光學顯微鏡，4表示探針座，5表示gsg探針，6表示磁電天線單元，7表示鉗式磁鐵，8表示電源，9表示標準增益的喇叭天線。
[0051]
步驟2，采用矢量網絡分析儀vna測試出磁電天線的s11參數曲線。
[0052]
參照附圖2，結合本發明的實施例，對本發明采用矢量網絡分析儀vna測試出磁電天線的s11參數曲線的過程做進一步的描述。
[0053]
首先將標準增益的喇叭天線9放置在待測磁電天線6的遠場位置，并將喇叭天線、磁電天線通過傳輸線分別與矢量網絡分析儀vna1的兩個端口連接。
[0054]
其中遠場距離必須滿足其中d為喇叭天線與磁電天線之間的距離，即本實施例中喇叭天線與磁電天線之間的距離，d為待測天線的口徑，λ為所測的電磁波波長，根據本實施例的所測磁電天線頻率為2.5ghz，波長為0.12米，取d＝1.5m滿足遠場條件。
[0055]
參考附圖3，對矢量網絡分析儀vna進行校準后測量并得到磁電天線的s11參數曲線。
[0056]
步驟3，從測量得到的s11參數提取mbvd模型參數。
[0057]
參照附圖4，結合本發明專利對mbvd模型參數的提取做進一步的描述。磁電天線mbvd模型參數由靜態電容c0，動態電容cm，動態電感lm,動態電阻rm,電極損耗rs,介電損耗r0組成。
[0058]
提取靜態電容c0。通過矢量網絡分析vna測量的s11參數幅值和相位轉化為z參數
的實部ri和虛部xi，通過z參數讀取串聯諧振點fs和并聯諧振點f
p
；取遠離串并聯諧振點處1ghz以外的n個頻點fi處的阻抗的平均值，得到c0，計算公式如下：
[0059][0060]
計算出電容比r和動態電容cm，計算公式如下：
[0061]
r＝[(f
p
/fs)
2-1]-1
???????
(2)；
[0062][0063]
計算出動態電感lm,計算公式如下：
[0064][0065]
從s11參數曲線圖中讀取從曲線峰值下降3db的帶寬f
δ3db
，計算fs和f
p
處的q值，計算公式如下：
[0066][0067][0068]
計算rs、r0、rm，計算公式如下：
[0069][0070][0071][0072]
聯立式(7)、(8)、(9)計算出rs，r0，rm。
[0073]
根據上述步驟擬合得到的磁電天線mbvd模型參數如下：cm＝0.13985pf，lm＝28.91nh，rm＝5ohm，c0＝3.465pf，r0＝3ohm，rs＝44ohm。
[0074]
參考附圖5，在ads中用mbvd模型擬合得到s11參數曲線。
[0075]
步驟4，在ads中建立磁電天線mbvd仿真模型，然后使用串并聯電感和串并聯電容四種方法研究對單個磁電天線帶寬影響。
[0076]
(4a)根據步驟3得到的mbvd模型參數，cm＝0.13985pf，lm＝28.91nh，rm＝5ohm，c0＝3.465pf，r0＝3ohm，rs＝44ohm。在ads中建立磁電天線mbvd仿真模型；
[0077]
(4b)參考附圖6，通過對磁電天線串聯不同電感l＝0.1nh、l＝0.3nh、l＝0.5nh，分別得到磁電天線的s11曲線。將串聯不同電感l＝0.1nh、l＝0.3nh、l＝0.5nh得到磁電天線的s曲線繪制在同一圖內，如附圖7所示，可得到串聯不同電感能夠有效提高天線的帶寬；
[0078]
(4c)參考附圖8，通過對磁電天線并聯不同電感l＝2nh、l＝3nh、l＝4nh，分別得到磁電天線的s11參數曲線。將并聯不同電感l＝2nh、l＝3nh、l＝4nh得到磁電天線的s11參數曲線繪制在同一圖內，如附圖9所示，可得到并聯電感對提高天線帶寬的效果不明顯；
[0079]
(4d)參考附圖10，通過對磁電天線串聯不同電容c＝3pf、l＝5pf、l＝7pf，分別得到磁電天線的s11參數曲線，將串聯不同電感c＝3pf、l＝5pf、l＝7pf得到磁電天線的s11參數曲線繪制在同一圖內，如附圖11所示，可得到串聯不同電容對提高天線帶寬的效果不明顯；
[0080]
(4e)參考附圖12，通過對磁電天線并聯不同電容c＝2pf、l＝3pf、l＝4pf，分別得到磁電天線的s11參數曲線，將并聯不同電容c＝2pf、l＝3pf、l＝4pf得到磁電天線的s11曲線繪制在同一圖內，如附圖13所示，可得到串聯不同電容對提高天線的帶寬的效果不明顯。
[0081]
(4f)由(4a)-(4e)的結果得，對磁電天線串聯不同的電感能夠有效提高天線帶寬。
