微带贴片背射天线的设计与分析

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微带贴片背射天线的设计与分析

曹维萍1杨雪霞2张金生1李明1

(1.兰州大学信息科学与工程学院，兰州，730000;

2.上海大学通信与信息工程学院，特种光纤与光接

入网省部共建教育部重点实验室，上海，200072)

摘要：介绍一种采用微带贴片天线作为馈源的新式天线。从理论上阐述了微带贴片天线、背射天线的工作原理并且详细介绍了天线的具体设计过程。通过实验，测试了天线的性能参数。使用微波信号发生器、HP8593频谱分析仪以及天馈仪实测了天线的输入阻抗、方向图、方向性系数和输入驻波比。用比较法获得天线增益。结果表明该天线增益高、频带宽、方向性好、主瓣对称、抗干扰性能强。

关键词：微带贴片天线；背射天线；反射器；方向图

中图分类号：TN820文献标识码：A

甘肃省科技攻关计划项目

项目名称：定向多波束智能天线研究颁发部门：甘肃省科技厅

项目编号：2GS047-A52-003-03

The Design of the Backfire Antenna Fed by a Microstrip Patch

Cao Wei-Ping1 ,Yang Xue-Xia2,Zhang Jin-Sheng1,Li Ming1

(1.School of Information Science and Engineering, Lanzhou University ,Lanzhou 730000,China；

2.School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, The Special Optical Fiber and the Light Access Network Province Department altogether constructs the Ministry of Education Key Laboratory,Shanghai 200072, China)

Abstract ：A new kind of antenna is proposed, which used the microstrip patch antenna as the feeding source. In the article, principle and the concrete design of the microstrip patch and the backfire antenna are introduced elaborately.The performance parameters were tested in the experiment by microwave signal analyzer、HP8593 spectral analyzer and Anritsu S331C ,The analysis results show that the Backfire Antenna fed by a Microstrip Patch not only achieves ideal gain and bandwidth, but also has good characteristics such as good directivity pattern, symmetry main petal and high interference resistance. The new kind of antenna has very high applied value. Key words: Microstrip patch antenna；Backfire antenna；Directivity pattern；Reflector 引言

本天线为解决普通微带天线固有的缺陷，如频带窄、增益不高的问题而设计。采用微带贴片天线作为辐射馈源,又在后面加些反射器作为调整。一般来说，若天线的馈源有较宽的带宽，则天线也会实现较宽的带宽[1]。本文采用附加阻抗匹配网络来提高圆形微带贴片天线的带宽。而背射天线具有副瓣电平低、增益高、波束轴对称、结构和馈电方式简单等优点，它是集谐振腔、反射面、镜像等多种原理于一体的天线型式[2]。在空间技术领域也受到重视和应用，但普通的背射天线带宽较窄。本设计中，我们即保留了背射天线的特点，又对微带贴片天线进行了改进，并将两种型式有效结合起来设计出了这种微带贴片背射天线。实验结果表明，本文设计的天线具有很好的性能。

1天线的基本结构

微带贴片背射天线结构如图1所示。M是圆盘形表面波反射器，称反射背腔或主反射器。F0、F1、F2、F3、F4、F5是六个圆形金属片，C是薄圆形铜片。为了扩展带宽，反射背腔M、同轴探针P、电容片C和圆形金属片F0组成宽带微带贴片天线，作为整个天线的馈源。为保证辐射的定向性，采用反射背腔M和副反射片F0、F1、F2、F3、F4、F5。反射背腔

的直径D 为波长的整数倍，边环高度W 在0.25λ～0.5λ之间,本文取0.25λ。与传统的微带贴片天线有所不同,天线通过在同轴探针的顶部附加小的电容片C 对微带天线进行馈电,电容片与上层贴片间的距离为h 2,并假设h 2小于探针高度h 1,F 0半径为D 0，相对介电常数为εr 。 2天线的工作原理

2.1背射天线辐射原理

背射天线又称为反射天线。当电波沿引向天线的行波结构传播到反射圆盘时产生反射, 逆转反向再沿行波结构回传并越过副反射器射出去。因其辐射方向与普通端射天线的辐射方向相背,故称其为背射天线[3]。电波在这样的天线上往返一次,相当于将原来的引向天线长度增加一倍,使其在此长度中多获得3dB 增益。同时,由于反射背腔的镜像作用,还可使增益再增加3dB 。总的来说,背射天线具有较高的增益。设计中，根据对背射天线的增益与近场区及相位等的测量，说明为了获得最大增益,反射片与反射圆盘的距离L 应满足表面波结构上形成驻波的条件，即 L=n 2λ

[4], 这样反射片与反射腔的空间作用相当于谐振腔的腔体。 适当

调节各个反射器之间的距离,使得每个反射器与主反射器M 之间形成谐振腔,天线能量会不断积蓄。主反射器M 再将电磁波能量反射到副反射器所在的前端方向,在微带贴片天线的辐射及副反射器的多次反射作用下,使副反射器所在位置及其前端的场增强,对其形成有利的激

励条件[5，6]。于是，只要适当调整,便使所有副反射器逐个受到最佳激励,从而将馈源辐射的电磁波能量导引于天线前端主辐射方向。

2.2宽带微带贴片天线原理

宽带微带贴片天线的结构如图2所示,与传统的微带贴片天线不同,本文设计的天线通过 在同轴探针的顶部附加小的电容片对微带贴片天线进行馈电,贴片单元是圆形的。采用背馈,探针穿过底板,馈在电容片上。圆形微带天线TM nm

模的谐振频率由公式r f =计

算[4],式中Knm 是n 阶贝塞尔函数导数的第m 个零点，本天线谐振在基模，即TM 11，所以Knm=1.841,C 0是自由空间的光速,0a 是圆形微带天线的等效半径,可由公式

1202[1(ln 1.7726)]2r

h a a a a h ππε=++[4]计算。由上两式,运用matlab 软件计算得到微带贴片半径a=23.77mm,D D 0=2a=47.54mm ，经过反复测试[7]得出最佳直径D

D 0=53mm 。

3 设计过程与测量分析

由Anritsu S331C 天馈仪测得天线驻波比推出：