实验10:微带天线(MicrostripAntenna)
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双频微带天线的研究一、本文概述随着无线通信技术的快速发展,微带天线作为一种重要的天线形式,在无线通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。
双频微带天线作为微带天线的一种特殊形式,具有能够在两个不同频段同时工作的特点,因此在多频段无线通信系统中具有重要的应用价值。
本文旨在深入研究双频微带天线的设计理论、性能优化及其在实际应用中的表现,为双频微带天线的进一步发展提供理论支持和实践指导。
本文首先回顾了微带天线的发展历程和研究现状,介绍了双频微带天线的基本原理和设计方法。
在此基础上,对双频微带天线的关键参数进行了详细分析,包括天线的尺寸、介质基板的选取、馈电方式等,并对影响天线性能的主要因素进行了讨论。
接着,本文提出了一种新型的双频微带天线设计方案,并对其进行了仿真分析和实验验证。
仿真结果表明,该设计方案在预定频段内具有良好的阻抗匹配和辐射性能。
本文还对双频微带天线在实际应用中的性能表现进行了评估,为其在无线通信系统中的应用提供了参考依据。
通过本文的研究,不仅能够加深对双频微带天线设计理论和性能优化的理解,还能为双频微带天线在实际应用中的推广提供有力支持。
本文的研究成果也为其他类型的多频段天线设计提供了有益的借鉴和参考。
二、双频微带天线的基本理论双频微带天线是近年来无线通信领域研究的热点之一,其基本理论主要基于电磁波的传播特性和天线的辐射原理。
微带天线是一种薄型、轻质、低剖面的天线,它利用微带线或同轴线等馈电方式,将电磁波辐射到空间中。
双频微带天线则是指能够在两个不同频段内同时工作的天线,这种天线具有多频带、小型化、集成化等优点,在无线通信、雷达、卫星通信等领域具有广泛的应用前景。
双频微带天线的基本理论主要包括天线辐射原理、谐振理论、阻抗匹配等。
天线辐射原理是天线工作的基础,它涉及到电磁波的传播和辐射。
微带天线通过微带线上的电场和磁场分布,将电磁波转化为空间中的辐射波。
双频微带天线则需要在两个不同频段内实现辐射,因此需要通过设计合适的天线结构和馈电方式来实现。
微带天线工作原理
微带天线是一种新型的天线结构,由金属片和介质基板组成。
它的工作原理基于电磁波在金属片和介质基板之间的传播和耦合。
在微带天线中,金属片是天线的辐射元件,它可以是一块导电材料,例如铜片或铝片,形状可以是矩形、圆形或其他形状。
介质基板则是承载金属片的结构,通常由低介电常数的材料制成,例如 FR4 玻璃纤维复合材料。
当电磁波经过微带天线时,它首先与金属片相互作用。
金属片的导电性使得电磁波的能量被吸收,并在金属上产生电流。
这个电流产生的磁场将能量传递到介质基板上,并经过耦合效应进一步传播。
在介质基板中,电磁波会以两种不同的方式传播:表面波模式和耦合模式。
表面波模式是指电磁波沿着金属片和介质基板的表面传播,形成一条沿着金属边缘的电磁波路径。
耦合模式是指电磁波通过介质基板内部的微带传播,与金属片的电流产生进一步耦合效应。
通过控制微带天线的几何形状、基板材料和工作频率,可以调节微带天线的辐射特性。
例如,改变金属片的长度和宽度可以调节天线的频率响应,改变基板的厚度可以调节天线的辐射阻抗。
此外,可以通过添加补偿结构或使用补偿网络来实现天线的宽频工作。
总之,微带天线的工作原理基于电磁波在金属片和介质基板之间的传播和耦合效应。
通过优化微带天线的结构参数,可以实现对天线的频率响应和辐射特性的调节,满足不同应用的需求。
微带天线研究摘要通信系统的开展带来了天线行业的勃勃生机,在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一,很具有研究前景与实用意义。
特别是微带缝隙天线,以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形,馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。
本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数,然后提出了一种三角形缝隙微带天线。
在介质基板的一面一个三角形缝隙,另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。
通过仿真给出了天线的s参数,VSWR和方向图。
关键词:天线参数,微带天线,微带缝隙天线,三角形缝隙微带天线设计目录一、绪论 (3)1.1 简介 (3)1.2 微带天线的开展 (3)1.3 微带天线的特点 (3)二、微带天线根本知识 (4)2.1 微带天线的辐射机理 (4) (4) (5)2.3.1 输入导纳 (5)2.3.2 辐射电阻和品质因数 (5)2.3.3 带宽 (6)2.3.4 方向性系数、增益和天线效率 (6)2.3.5 方向图 (7)2.4 鼓励方法 (7)2.4.1 微带馈电 (7)2.4.2 同轴线馈电 (8)三、微带缝隙天线 (8)3.1 矩形缝隙天线 (9)3.1.1 输入阻抗 (9)3.1.2 方向图 (11)3.2 环形缝隙天线 (11)3.3 锥形缝隙天线天线 (12)四、三角缝隙宽缝微带天线 (13)4.1 天线设计与性能 (13)4.2 软件仿真 (14)参考文献 (15)一、绪论微带天线〔microstrip antenna〕是在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。
微带天线分2 种:①贴片形状是一细长带条,那么为微带振子天线。
②贴片是一个面积单元时,那么为微带天线。
如果把接地板刻出缝隙,而在介质基片的另一面印制出微带线时,缝隙馈电,那么构成微带缝隙天线。
实验课题:天线参数的分析仿真实验目的:运用HFSS 的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容:矩形微带天线仿真:工作频率7.55GHz ,天线结构尺寸如图所示,俯视图:侧视图材料:Ground Plane-PecSubstrate-Rogers RT/Duriod 5880Patch-pecFeedline-pec实验内容:1. 设置激励终端求解方式:HFSS>Solution type>Driven Termin2. 设置模型单位:3D Modeler>Units 选择mm3. 建立微带天线模型(1) 创建Ground plane,尺寸为x:28.1 y:32 z:0.05 修改名称为ground,修改材料属性为pec ,设置理想金属边界:选择ground ,点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E ,将理想边界命名为:PerfE_ground(2) 建立介质基片:点击Draw>Box , x: -14.05,y: -16,z: 0,dx: 28.1,dy: 32,dz: 0.794,修改名称为sub ,修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880,修改颜色为绿色(3) 建立天线模型patch ,点击Draw>Box ,x::-6.225,y:-8,z:0.794, dx: 12.45,dy: 16,dz: 0.05,命名为patch_1,点击Draw>Box ,x:-3.1125,y:-8,z:0.794, dx:2.46,dy: -8,dz: 0.05,命名为tatch_2,选中tatch_1和tatch_2,点击3D Modeler>Boolean>Unite ,修改名称为Trace ,修改材料属性为pec4 建立端口 需要首先创建供设置端口用的矩形,该矩形连接馈线与地(1)创建Port :3D Modeler>Grid Plane>XZ , x: -3.1125,y: -16,z: -0.05, dx:2.46,2.460.05dy: 0,dz: 0.894,命名为port(2)选中port,点击HFSS>Excitations>Assign >Lumped Port,在General标签中,将该端口命名为p1,点击Next,在Modes标签的Integration Line中点击None,选择New 里呢,输入x: -1.8825,y: -16,z: -0.05,dx: 0,dy: 0,dz: 0.894,点击Next直到结5 创建Air:Draw>box,输入x: -40,y: -40,z: -20,dx:80,dy: 80,dz: 40,修改名字为Air,设置辐射边界,点击HFSS>Boundaries >Radiation,命名为Rad16 设置边界条件。
微带天线工作原理微带天线是一种广泛应用于通信系统中的天线结构,它具有结构简单、制作方便、性能可调和工作频段宽等优点,因此在无线通信系统中得到了广泛的应用。
微带天线的工作原理是基于微带线与辐射负载之间的耦合效应,通过合理设计微带线和辐射负载的结构参数,可以实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节。
本文将从微带天线的基本结构、工作原理和特点等方面进行详细介绍。
1. 微带天线的基本结构。
微带天线的基本结构包括微带线、辐射负载和基底板三部分。
微带线是由金属导体和绝缘基底组成的,其长度和宽度决定了天线的工作频率和阻抗匹配特性。
辐射负载是用来辐射电磁波的部分,通常是一个金属片或贴片,其结构和尺寸对天线的辐射特性有重要影响。
基底板是支撑微带线和辐射负载的部分,通常采用介质常数较小的材料,如陶瓷基板或塑料基板。
2. 微带天线的工作原理。
微带天线的工作原理主要是基于微带线与辐射负载之间的耦合效应。
当微带线上有高频电流通过时,会在微带线和基底板之间产生电磁场,这个电磁场会通过辐射负载辐射出去,从而实现天线的辐射功能。
微带线的长度和宽度决定了天线的工作频率,而辐射负载的结构和尺寸则影响了天线的辐射特性。
通过合理设计微带线和辐射负载的结构参数,可以实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节。
3. 微带天线的特点。
微带天线具有结构简单、制作方便、性能可调和工作频段宽等特点。
首先,微带天线的制作工艺相对简单,可以采用印制电路板工艺进行批量生产,成本较低。
其次,微带天线的结构参数可以通过调节微带线和辐射负载的尺寸来实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节,具有较好的可调性。
最后,微带天线的工作频段较宽,可以满足不同频段的通信需求。
总结:微带天线是一种在无线通信系统中广泛应用的天线结构,其工作原理是基于微带线与辐射负载之间的耦合效应。
通过合理设计微带线和辐射负载的结构参数,可以实现对天线的频率、阻抗和辐射特性的调节。
微带天线具有结构简单、制作方便、性能可调和工作频段宽等特点,因此在无线通信系统中得到了广泛的应用。
微带天线的工作原理
微带天线的工作原理是基于一种被称为微带传输线的技术。
微带传输线是一块细长的金属带(称为微带)通过一块绝缘基板与地面之间连接。
当电流在微带上流动时,产生的电磁场会引发辐射,这种辐射效应使得微带传输线可以作为天线使用。
微带天线的主要原理包括以下几个方面:
1. 辐射模式:微带天线的辐射模式取决于微带的几何形状和尺寸。
通过调整微带的长度、宽度和形状,可以实现不同的辐射模式,例如方向性的、全向的或者扇形的辐射。
2. 地平面:微带天线的底部通常需要一个地平面(通常是金属板),以提供一个反射面来增强天线的辐射效果。
地平面的大小和形状对天线的性能有很大影响。
3. 驻波效应:微带天线在工作频率附近会形成驻波,即在天线上引起电流分布不均匀的现象。
通过调整微带的尺寸和结构,可以控制驻波的频率和幅度。
4. 互耦效应:在一些特殊的微带天线结构中,微带之间存在一定的电磁耦合效应。
这种互耦效应可以实现一些特殊的功能,例如宽带天线、多频段天线或者极化转换器。
总之,微带天线的工作原理是利用微带传输线的结构和辐射效
应来实现无线电频段的信号接收和辐射。
通过调整微带尺寸、形状和结构,可以实现不同的辐射模式和性能。
08通信陆静晔0828401034微带天线设计一、实验目的:●利用电磁软件Ansoft HFSS设计一款微带天线⏹微带天线的要求:工作频率为2.5GHz,带宽(S11<-10dB)大于5%。
●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。
二、实验原理:微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的,经过20年左右的发展,Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。
微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点,现今已经广泛应用于个人无线通信中。
图1-1是一个简单的微带贴片天线的结构,由辐射源、介质层和参考地三部分组成。
与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相图1-1对介电常数εr和损耗正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。
图1-1所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的,本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电,也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。
对于矩形贴片微带天线,理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。
矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模,意味着电场在长度L方向上有λg/2的改变,而在宽度W方向上保持不变,如图1-2(a)所示,在长度L方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量,在宽度W方向的边缘由于终端开路,所以电压值最大电流值最小。
从图1-2(b)可以看出,微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分,两个边缘的垂直分量大小相等、方向相反,平行电场分量大小相等、方向相反;因此,远区辐射电场垂直分量相互抵消,辐射电场平行于天线表面。
假设矩形贴片的有效长度设为L e ,则有L e =λg ∕2 (1-1)式中,λg 表示导波波长,有λg =λ0∕√εe (1-2)式中,λ0表示自由空间波长;εe 表示有效介电常数,且εe =εr +12+εr −12(1+12h W)−12 (1-3) 式中,εr 表示介质的相对介电常数;h 表示介质层厚度;W 表示微带贴片的厚度。
微带天线1011020116 侯良伟目录目录 (2)1微带天线概述 (3)1-1微带天线的辐射机理 (4)1-2微带天线的馈电方法 (5)2.矩形微带天线及其分析方法 (6)2-1腔体模型理论 (7)2-2 传输线模型理论 (8)2-3 矩形微带天线的性能分析 (10)3.我对微带天线的看法 (12)4.参考文献 (13)1.微带天线概述对于阵列天线而言,可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等。
结合我们近年来实验室的科研项目和实验研究。
单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵元进行组阵研究。
重点的研究对象为微带天线。
因为微带天线固有的特点,它很适合进行天线组阵的研究。
在天线组阵中,目前己有本实验室研制的圆环背射天线的二元阵列投入工程应用,并有相应产品面世。
但主要的研究方向还是集中于微带天线的组阵方案,现对微带天线进行理论和实验的分析。
微带辐射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。
但是过了二十年,当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后,实际的天线才制造出来。
这种基片介电常数范围较宽,具有吸热特性和机械特性及低损耗角正切。
最早的实际的微带天线是Howen和Munsno在二十世纪七十年代初期研制成的。
在此之后,由于微带天线的许多优点,诸如重量轻、体积小、成本低,平面结构可以和集成电路兼容等,微带天线得到了广泛的研究和发展,从而使微带天线获得了多种应用,并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展。
目前,已研制成了各种类型平面结构的印制天线,例如,微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。
而一般所指的微带天线,可分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线。
它们的辐射机理是由微带贴片、或准TEM模传输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。
同常规的微波天线相比,微带天线具有一些优点。
微带贴片天线阵列的研究与设计随着无线通信技术的快速发展,天线作为无线通信系统的重要组件,其性能和设计受到了广泛。
微带贴片天线作为一种常见的平面天线,具有体积小、重量轻、易于集成等优点,被广泛应用于现代通信系统中。
本文将重点探讨微带贴片天线阵列的研究与设计。
微带贴片天线的基本原理是利用微带线来传输信号,并在贴片表面形成电磁场,从而实现电磁波的辐射和接收。
微带贴片天线的应用范围广泛,如移动通信、卫星通信、雷达等领域。
为了满足现代通信系统的需求,微带贴片天线阵列的研究与设计成为了关键。
微带贴片天线阵列的研究与设计方法包括理论分析、实验测试和数据分析。
理论分析是研究微带贴片天线阵列的基础,通过建立模型来分析天线的辐射特性和性能参数。
常用的分析方法包括电磁场理论和有限元法等。
实验测试是研究微带贴片天线阵列的重要环节,通过测试数据来验证理论分析的正确性。
实验测试包括天线性能参数的测量和辐射特性的测试等。
数据分析是对实验测试结果进行处理和解释的过程,通过对比不同数据来优化天线阵列的设计。
实验结果表明,微带贴片天线阵列具有优良的性能特点和优势。
微带贴片天线阵列的辐射性能较强,能够实现方向性和增益的控制。
微带贴片天线阵列的带宽较宽,有利于实现多频段通信。
微带贴片天线阵列易于集成和制造,具有较低的成本和较高的可靠性。
这些优点使得微带贴片天线阵列在未来通信领域中具有广泛的应用前景。
本文通过对微带贴片天线阵列的研究与设计,总结了其性能特点和优势,并指出了微带贴片天线阵列在技术创新和应用推广方面的意义。
微带贴片天线阵列作为一种重要的平面天线,具有广泛的应用前景。
在未来的研究中,可以进一步探索微带贴片天线阵列的高效设计和优化方法,提高其性能和可靠性,以满足不断发展的无线通信需求。
随着无线通信技术的快速发展,天线作为通信系统中关键的组成部分,其性能和设计受到了广泛。
特别是高性能宽带双极化微带贴片天线,其在无线通信领域具有广泛的应用前景。
微带天线原理微带天线是目前应用广泛的一种天线,其原理基于微带线与天线的结合,可以实现多种形式的指向性和宽带性能。
本文将介绍微带天线的原理、特点、设计和应用。
1.微带天线的原理微带天线的原理基于微带线。
微带线是在介质基板表面维持一条导电信号轨迹,通常是金属箔,由于介质常数比空气大,因此可以大大减小微带线的尺寸,使其成为一种具有低剖面、低重量、低成本、易于制造和集成等特点的线路形式。
微带天线就是将微带线结合到天线中,利用微带线在天线周围形成的电磁场辐射出无线电信号。
微带天线通常由三个部分组成:金属贴片(辐射元件)、介质基板以及接地板(衬底)。
金属贴片是微带天线的辐射元件,一般采用不同形状,如矩形、圆形、圆环等,也可以采用高阻抗元件,如螺旋线等。
对于微带天线来说,它的特性阻抗主要决定于辐射元件的形状和尺寸。
介质基板是微带天线的关键部分,它的相对介电常数决定了微带线的传输特性,从而影响了微带天线的性能。
介质基板的厚度决定了微带线的振荡频率,因此对于特定的微带天线设计,选择合适的介质基板是至关重要的。
接地板是微带天线的底部剩余部分,通常是一个大的金属板,用于提供对天线的支撑和固定,并提供与辐射元件相对的电地。
接地板的质量和大小也会影响微带天线的性能。
2.微带天线的特点与传统的针对特定频带的天线相比,微带天线具有以下优点:1)微带天线低剖面和小尺寸,可以方便地安装在各种设备和系统中。
2)微带天线具有比较宽的带宽。
微带天线的带宽主要由其介质基板的特性决定,而不是由辐射元件的几何形状决定。
微带天线比传统天线具有更好的带宽特性。
3)微带天线的指向性好。
微带天线的辐射元件制作成不同的形状,可以实现不同的指向性特性。
4)微带天线可复制性好。
由于微带天线的制作通常是通过常见的PCB板上的印刷技术实现的,因此可以非常方便地复制和大规模生产。
5)微带天线可以被集成到其他电子元件中,实现多种应用。
如微带天线可以被集成在蓝牙和Wi-Fi等通讯设备的PCB电路板中,形成各种应用形式。
1)一个形状规则的单片微带天线由一点馈电产生极化正交幅度相等的两个简并模,但不能形成90°相位差,在规则形状的单片微带天线上附加一简并模分离单元,使简并模的谐振频率产生分离——针对对角线馈电的情况,而不包括中心线馈电
2)中心线馈电,没有加分离单元之前,是不存在简并模的,在对角线方向加了分离单元之后,才产生简并模,同时也将这两个简并模的频率分离
3)微带天线辐射单元为正方形时,不加分离单元,极化仍沿馈电点所在中心线方向,如果有简并模存在,合成后极化沿对角线方向4)双频微带天线,工作频点应在圆极化“双峰(VSWR)”之间,两个简并模
5)辐射元可以用金属面来代替,勿用极薄的矩形体。
同轴线及探针用矩形或者Num segments设置成4的圆柱,没有必要用标准圆柱
6)双层微带线,上层辐射元的频率在实际中比较高,两层介质之间有间隙,上层介质介电常数降低,使其频率提高。
浅谈微带天线微带天线,是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上而形成的天线。
通常利用微带传输线或同轴探针来馈电,使导体贴片与接地板之间激励高频电磁场,并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。
金属贴片通常是形状规则的薄片,形状有矩形、圆形或椭圆形等;也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)或由这些单元构成的阵列结构。
这三种形式分别称为微带贴片天线、微带振子天线和微带阵列天线。
微带贴片天线,通常介质基片厚度h远小于工作波长λ,罗远祉等人提出的空腔模型理论是分析这类天线的一种基本理论。
帖片与接地板之间的空间犹如一个上下为电壁、四周为磁壁的空腔谐振器。
对常用的工作模式,长度L约为半个波长,其电场E沿长度方向(x轴)的驻波没有横向(y轴)的变化。
天线的辐射主要由沿横向的两条缝隙产生,每条缝隙对外的辐射等效于一个沿-y轴的磁流元(J m =-n×E,n为缝隙外法线单位矢量)。
由于这两个磁流元方向相同,合成辐射场在垂直贴片方向(z轴)最大,随偏离此方向的角度增大而减小,形成一个单向方向图。
天线输入阻抗靠改变馈电位置加以调节。
阻抗频率特性与简单并联谐振电路相似,品质因数Q较高,故阻抗频带窄,通常约为1%~5%。
可用适当增加基片厚度等方法来展宽频带。
接地板上的介质层会使电磁场束缚在导体表面附近传播而不向空间辐射,这种波称为表面波。
故增加基片厚度时须避免出现明显的表面波传播。
微带振子天线,当介质基片厚度远小于工作波长或微带振子长度为谐振长度时,振子上的电流近于正弦分布。
因此,它具有与圆柱振子相似的辐射特性,只是它在介质层中还有表面波传播,使效率降低。
微带阵列天线,利用若干微带贴片或微带振子可构成具有固定波束和扫描波束的微带阵列。
与其他阵列天线相同,可采用谐振阵或非揩振阵(行波阵)。
微带阵列的波束扫描可利用相位扫描、时间延迟扫描、频率扫描和电子馈电开关等多种方式来实现。
微带天线作为一种新型的天线,与普通天线相比,具有不可替代的优势。
微带天线原理
微带天线是一种广泛应用于微波通信领域的天线结构,其原理基于微带线和辐射负载之间的耦合效应。
微带天线具有结构简单、制造成本低、易于集成和良好的辐射特性等优点,因此受到了广泛的关注和应用。
首先,微带天线的基本结构是由微带线、辐射负载和补偿电容组成的。
微带线是由导体贴片和基板组成的,其长度和宽度决定了天线的工作频率和阻抗匹配。
辐射负载则是用来辐射电磁波的元件,通常采用贴片形式,其尺寸和形状会影响天线的辐射特性。
而补偿电容则用来调节天线的阻抗匹配,保证其在工作频率下具有良好的阻抗匹配特性。
其次,微带天线的工作原理是基于微带线和辐射负载之间的电磁耦合效应。
当微带线上有高频信号传输时,会在微带线和辐射负载之间产生电磁耦合,从而使得辐射负载辐射出电磁波。
由于微带天线的尺寸通常远小于工作波长,因此其工作原理和传统天线有所不同,主要表现为谐振频率高、辐射效率低等特点。
此外,微带天线的特性受到其结构参数的影响较大。
微带线的长度和宽度决定了其工作频率和阻抗匹配特性,而辐射负载的尺寸和形状则会影响天线的辐射特性和频率选择性。
因此,在设计微带天线时,需要充分考虑这些结构参数的影响,通过合理的设计来实现所需的天线特性。
总的来说,微带天线是一种结构简单、制造成本低、易于集成和具有良好辐射特性的天线结构。
其工作原理基于微带线和辐射负载之间的电磁耦合效应,具有谐振频率高、辐射效率低等特点。
在实际应用中,可以根据具体需求来设计和优化微带天线的结构参数,以实现所需的天线特性。
微带天线在无线通信、雷达系统、航天器等领域有着广泛的应用前景,对于推动微波通信技术的发展具有重要意义。
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)
图10-5为圆形微带天线的结构图
五、硬件测量:
1.对MOD-10A,MOD-10B ,天线的测量以了解天线的特性。
2.准备电脑,测量软件,RF-2000相关模组,若干小器件等。
3.测量步骤:
⑴ 设定频段。
⑵对模组P1端子做S11测量,并将测量结果记录于表(*-*)中。
4.实验记录:实验记录所记的表格*-*为下面此表:
5.硬件测量的结果建议如下为合格:
0.16 cm
RF2KM10-1A MOD-10A(908-920MHZ) S11≤-10dB Typical
RF2KM10-2A MOD-10B(908-920MHZ) S11≤-10dB Typical
6、待测模组方框图:
微带天线1
微带天线2
六、参考资料:
1.Robert ,Sainati,CAD of Microstrip Antenna for Wireless Applications,Artech House,Inc.,1996,Chap 1~3
2.H.F.Lee & Wei Chen , Advanced in Microstrip and Printed Antennas,John Wiley & Sons,Inc.,1997,Chap 1,5
3.Pozar & Schaubert,Microstrip Antennas,IEEE PRESS1995,pp.3-15 4.Edgar Hund , Microwave Communications,McGraw-Hill,Inc.1989,pp.286-300
5.Peter Vizmuller , RF Design Guide , Aretech House,Inc.1995,pp.207-209
NEC-Win Pro User’s Manual,Nittany Scientific , Inc.1997,pp.2-12~2-25。