实验10：微带天线(MicrostripAntenna)

实验十： 微带天线（Microstrip Antenna ） **

一、实验目的：

1.了解天线之基原理与微带天线的设计方法。

2.利用实验模组的实际测量得以了解微带天线的特性。

二、预习内容：

1．熟悉天线的理论知识。

2．熟悉天线设计的理论知识。

三、实验设备：

四、理论分析：

天线基本原理：

天线的主要功能是将电磁波发射至空气中或从空气中接收电磁波。所以天线亦可视为射频发收电路与空气的信号耦合器。在射频应用上，天线的类型与结构有许多种类。就波长特性分有八分之一波长、四分之一波长、半波天线；就结构分，常见有单极型（Monopole ）、双极型（Dipole ）、喇叭型（Horn ）、抛物型（Parabolic Disc ）、角型（Corrner ）、螺旋型（Helix ）、介电质平面型（Dielectric Patch ）及阵列型（Array ）天线，如图9-1所示。就使用频宽来分别有窄频带型（Narrow-band,10%以下）及宽频带型（Broad-band,10%以上）。

(a)单极型

(b)偶极型 (c)喇叭型

λ/ 2

图9-1 常见天线

（一）天线特性参数

1. 天线增益（Antenna Gain ’G ）：

isotropic

P P G =

其中 G ——天线增益

P ——与测量天线距离R 处所接收到的功率密度，Watt / m 2

Pisotropic —— 与全向性天线距离R 处所接收到的功率密度,Watt / m 2

由此可推导出，与增益为G 的天线距离R 处的功率密度应为接收功率密度：

2

4R P G P tx rec ⋅⋅=

π

其中 G ——天线增益

P tx ——发射功率，Watt / m 2 R ——与天线的距离，m

2. 天线输入阻抗（Antenna Input Impedance ’Zin ）：

I

V Z in =

其中 Z in ——天线输入阻抗

V ——在馈入点上的射频电压 I ——在馈入点上的射频电流

以偶极天线为例，其阻抗由中心处73Ω变化到末端为2500Ω。 3. 辐射阻抗（Radiation Resistance ’Rrad ）： 2i

P R av

rad

= 其中Pav ——天线平均辐射功率，W

i ——馈入天线的有效电流，A

(d)抛物面

(e)螺旋型 (f)阵列型

I ——在馈入点上的射频电流

对一半波长天线而言，其辐射阻抗为73Ω。

4. 辐射效率（Radiation Efficiency ’ ηr ）：

input radiated

r P P =

η

其中P radiated ——由天线幅射出的功率，W

P input ——由馈入天线的功率，W

5. 辐射场型（Radiation Pattern ）

天线的电场强度与辐射功率的分布可利用一极坐标图来表示。以偶极天线为例。

6.

(a)功率增益的幅射场型

（b ）辐射场型的立体图

偶极天线

6.半功率角（Radiation Beam Width ） （1） 由电场辐射场型定义

（2） 由功率辐射场型定义

7. 方向系数（Directivity ’D ）：

av

P P D max

=

其中P max ——最大功率密度，W/m 2 P input ——平均幅射功率密度，W/m 2

常见天线的方向系数如下列： 1.偶极天线（Dipole ）：D = 1.5 or 1.76 dB 2.单极天线（Monopole over ground plane ）：D = 1.5 or 1.76 dB 3.抛物形的碟型天线（Parabolic Dish ）：

()2

2

λπd D ≈

4.喇叭型天线（Horn Antenna ）： 2

10λA

D ≈

其中 d ——抛物面半径，

m

λ——信号波长，m2

A——喇叭口面面积

微带天线设计步骤（以900MHz圆形微条天线（Circular Patch）为例）：步骤一、确定参数

⑴设计频率，fo(GHz)=0.9

⑵最大输入驻波比，SWR=2.0:1

⑶基板参数：高度，h（cm）=0.16

介电常数，Er=4.5（forFR4）

损耗正切（Loss Tangent），TAND=0.015（forFR4）

对铜相对导电系数，RHO（一般设为1.0）=1.0 步骤二、利用设计软件（cpatch.exe）求出（1）圆形天线的半径和输入阻抗约为50ohm时，（2）接头馈入位置及设计频率的（3）输入阻抗。

（1）PATCH RADIUS=4.580cm

（2）FEED LOCATION=1.800cm

步骤三、利用设计软件（patchd.exe）求出（1）天线的总Q值、（2）辐射效率（Radiation Efficency）、（3）总效率（Overall Efficiency）、（4）天线

频带宽度（Patch Bandwidth ）。

SUBSTRATE HEIGHT = 0.1600cm

SUBSTRATE RELATIVE DIELECTRIC CONSTANT = 4.50 SUBSTRATE LOSS TANGENT = 0.0150

CONDUCTOR RELATIVE CONDUCTIVITY = 1.000 PATCH RADIUS = 4.580cm PEED LOCATION = 1.800cm FREQUENCY = 0.9000GHz

RESULT INPUT RESISTANCE = 50.90 ohms

(1) PATCH TLTAL Q = 47.639

(2) RADIATION EFFICIENCY = 95.97% (3) OVERALL EFFICIENCY = 21.10% (4) PATCH BANDWIDTH = 1.48% FOR A 2.00:1 SWR

步骤四、利用设计软件（cirpat,exe ）求得天线的辐射方向图（Radiation Pattern ）

H-plane E-plane 180 O 0 O

90 O 270 O

H-plan E-plan PATTERN

ANGLE(deg)